Insulin release from single islets of Langerhans is pulsatile. The secretory activities of the islets in the pancreas are coordinated resulting in plasma insulin oscillations. Nutrients amplitude-regulate the insulin pulses without influencing their frequency. Diabetic patients show an abnormal plasma insulin pattern, but the cause of the disturbance remains to be elucidated. Ithe present thesis the influence of the cytoplasmic calcium concentratio([Ca2+]i) and cell metabolism on pulsatile insulin release was examined in single islets of Langerhans from ob/ob-mice. Glucose stimulation of insulin release involves closure of ATP-sensitive K+ channels (KATP channels), depolarization, and Ca2+ influx in β-cells. In the presence of 11 mM glucose, pulsatile insulin secretion occurs in synchrony with oscillations i[Ca2+]i. When [Ca2+]i is low and stable, e.g. under basal conditions, low amplitude insulin pulses are still observed. When [Ca2+]i is elevated and non-oscillating, e.g. when the β-cells are depolarized by potassium, high amplitude insulin pulses are observed. The frequency of the insulin pulses under these conditions is similar to that observed when [Ca2+]i oscillations are present. By permanently opening or closing the KATP channels with diazoxide or tolbutamide, respectively, it was investigated if glucose can modulate pulsatile insulin secretion when it does not influence the channel activity. Under these conditions, [Ca2+]i remained stable whereas the amplitude of the insulin pulses increased with sugar stimulation without change in the frequency. Metabolic inhibition blunted but did not prevent the insulin pulses. The results indicate that oscillations in metabolism can generate pulsatile insulin release when [Ca2+]i is stable. However, under physiological conditions, pulsatile secretion is driven by oscillations in metabolism and [Ca2+]i, acting in synergy.

The KATP channels play an important role in the membrane excitability and vascular tone regulation. Previous studies indicate that the function of KATP channels is disrupted in oxidative stress seen in a variety of cardiovascular diseases, while the underlying mechanism remains unclear. Here, we demonstrate S-glutathionylation to be a modulation mechanism underlying the oxidant-mediated vascular KATP channel inhibition, the molecular basis for the channel inhibition and the alleviation of the channel inhibition by vasoactive intestinal peptide (VIP). We found that an exposure of isolated mesenteric rings to H2O2 impaired the KATP channel-mediated vascular dilation. In whole-cell recordings and inside-out patches, micromolar H2O2 or diamide caused a strong inhibition of the vascular KATP channel (Kir6.1/SUR2B) in the presence, but not in the absence, of glutathione (GSH), indicating S-glutathionylation. By co-expressions of Kir6.1 or Kir6.2 with SUR2B subunits, we found that the oxidant sensitivity of the KATP channel relied on the Kir6.1 subunit. Systematic mutational analysis revealed three cysteine residues (Cys43, Cys120 and Cys176) to be important. Among them, Cys176 was prominent, contributing to >80% oxidant sensitivity. Biochemical pull-down assay with biotinylated glutathione ethyl ester (BioGEE) showed that mutations of Cys176 impaired the oxidant-induced incorporation of GSH to the Kir6.1 subunit. Simulation modeling of Kir6.1 S-glutathionylation revealed that after incorporation to residue 176, the GSH moiety occupied a space between slide helix and two transmembrane helices. This prevented the necessary conformational change of the inner helix for channel gating, and retained the channel in its closed state. VIP is a potent vasodilator, and is shown to have protective role against oxidative stress. We found that the channel was strongly augmented by VIP and the channel activation relied on PKA phosphorylation. These results therefore indicate that 1) the vascular KATP channel is strongly inhibited in oxidative stress, 2) S-glutathionylation underlies the oxidant-mediated KATP channel inhibition, 3) Cys176 in the Kir6.1 subunit is the major site for S-glutathionylation, and 4) the Kir6.1/SUR2B channel is activated in a PKA-dependent manner by VIP that has been previously shown to alleviate oxidative stress.

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Les Récepteurs Couplés à un Canal Ionique (ICCRs) sont des canaux ioniques artificielscréés par fusion d'un Récepteur Couplé aux Protéines G (RCPG) au canal ionique Kir6.2. Dansce concept, le canal agit comme un rapporteur direct des changements conformationnels desRCPGs permettant de détecter par simple mesure de courant, la fixation d'agonistes etd'antagonistes proportionnellement à leur concentration.Le signal induit étant directement corrélé à l'activité du récepteur, indépendamment desvoies de signalisation des protéines G, nous avons exploité cet avantage pour étendre le champd'applications des ICCRs au cours de cette thèse. Nous avons développé quatre applications quisont: 1) la caractérisation fonctionnelle des RCPG optimisés pour la cristallisation par insertionde domaine du lysozyme du phage T4 dans la boucle ICL3; 2) la détection de la dépendance desRCPGs au cholestérol; 3) la détection de ligands dits "biaisés" pour faciliter leur criblage; et 4) lacartographie fonctionnelle des portes du canal Kir6.2 régulées par des protéines membranairesinteragissant par le domaine N-terminal.

Les Récepteurs Couplés à un Canal Ionique (ICCRs) sont des canaux ioniques artificielscréés par fusion d'un Récepteur Couplé aux Protéines G (RCPG) au canal ionique Kir6.2. Dansce concept, le canal agit comme un rapporteur direct des changements conformationnels desRCPGs permettant de détecter par simple mesure de courant, la fixation d'agonistes etd'antagonistes proportionnellement à leur concentration.Le signal induit étant directement corrélé à l'activité du récepteur, indépendamment desvoies de signalisation des protéines G, nous avons exploité cet avantage pour étendre le champd'applications des ICCRs au cours de cette thèse. Nous avons développé quatre applications quisont: 1) la caractérisation fonctionnelle des RCPG optimisés pour la cristallisation par insertionde domaine du lysozyme du phage T4 dans la boucle ICL3; 2) la détection de la dépendance desRCPGs au cholestérol; 3) la détection de ligands dits "biaisés" pour faciliter leur criblage; et 4) lacartographie fonctionnelle des portes du canal Kir6.2 régulées par des protéines membranairesinteragissant par le domaine N-terminal. / Ion Channel-Coupled Receptors (ICCRs) are artificial ion channels created by the fusion of a Gprotein-coupled receptor to a Kir6.2 channel. In this concept, the channel acts a direct reporter ofthe conformational changes of the GPCRs, allowing the detection by simple current recordingsof agonists and antagonists binding in concentration-dependent manner.The signal being directly correlated to the receptor activity, independently of G protein signallingpathways, we exploited this advantage to extend the field of applications of ICCRs during thisthesis. We developed 4 applications: 1) the functional characterization of the optimized GPCRsfor crystallization by insertion of the T4 phage lysozyme domain in the ICL3 loop; 2) thedetection of a cholesterol-dependence of the GPCRs; 3) the detection of the so-called "biasedligands" to simplify their screening; and 4) the functional mapping of the Kir6.2 channel gatesunder control of membrane proteins interaction with the N-terminus domain.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Durant la grossesse normale, la pression artérielle et la réactivité vasculaire à plusieurs vasoconstricteurs diminuent. Ces changements hémodynamiques sont renversés durant la prééclampsie, soit une complication grave de la grossesse spécifique à l'humain. Des suppléments sodiques, 0.9% et 1.8% NaCI, administrés à des rates gestantes entraînent des symptômes caractéristiques de la prééclampsie. Ce nouveau modèle fut utilisé pour caractériser les mécanismes de réactivité vasculaire. Nous nous intéressions à l'activité des canaux potassique et calciques ainsi qu'aux récepteurs de l'endothéline. Des courbes concentration-réponse au tétraéthylammonium furent mesurées. Le tétraéthylammonium induit une contraction des anneaux aortiques seulement chez les rates non gestantes. Les suppléments sadiques n'ont pas induit de réponse au tétraéthylammonium sur les tissus de rates gestantes. Les effets de différents modulateurs de canaux potassiques (cromakalime et NS-1619) et calciques (nifédipine) sur les réponses myotropes à la phényléphrine, au chlorure de potassium et à la vasopressine furent mesurés. Les résultats obtenus suggèrent que chez les rates gestantes recevant des suppléments sodiques, l'activité des canaux KATP diminue tandis que celles des canaux Kca et des canaux calciques dépendants du voltage augmentent. Des courbes concentration-réponse à l'endothéline-1 furent mesurées en absence et en présence de BQ123. La sarafotoxine fut aussi testée. Les résultats obtenus suggèrent que les suppléments sadiques modulent la sensibilité des EÎA de façon différente chez les rates non gestantes et gestantes et que les ETe sont absents des muscles lisses de l'aorte thoracique. Les changements induits par les suppléments sadiques pourraient être caractéristiques de la prééclampsie.

Les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) jouent un rôle primordial dans plusieurs processus cellulaires. La modulation de ces canaux par des molécules activatrices constituerait des applications pharmacologiques et médicinales très intéressantes. À cet effet nous avons conçu et synthétisé de nouvelles molécules hybrides cromakalim-diazoxide et diazoxide-amine/aminoacide. Nous avons également, évalué l’activité myorelaxante de ces composés sur l’aorte de rates. Les résultats obtenus ne montrent pas un effet myorelaxant significatif. Des études sur d’autres tissus, notamment les cellules β pancréatiques et le muscle utérin, sont envisagées afin d’explorer une éventuelle sélectivité tissulaire. Par ailleurs, les interactions protéine-protéine jouent un rôle fondamental dans presque tous les processus cellulaires. Elles sont fortement impliquées dans la formation de la structure dimérique de la protéase du VIH-1 et l’agrégation du peptide β amyloïde impliquée dans la maladie d’Alzheimer. L’inhibition de ces interactions serait donc d’un avantage thérapeutique pour le traitement du SIDA et de la maladie d’Alzheimer. Nous avons conçu et synthétisé d’une part, des pinces moléculaires à base de motifs carbonylhydrazides et oligohydrazides (Azatide), et d’autre part, des molécules pentapeptidiques avec un peudoaminoacide central alcoolfluoré. Enfin, nous avons testé la capacité des pinces moléculaires à perturber le feuillet β terminal de la PR du VIH-1 afin d'inhiber sa dimérisation et donc son activité. Nous avons réalisé de même une étude de relation structure-activité et d’après l’ensemble des résultats obtenus, il semblerait que la flexibilité est délétère pour l’activité inhibitrice. Nous avons également évalué la capacité des nouvelles molécules peptidomimétiques alcool fluorées à accélérer ou inhiber l’agrégation du peptide Aβ1-42 dans le but de diminuer la présence de petits oligomères neurotoxiques. Les résultats obtenus sont très prometteurs, nous avons réussi à développer d’une part un pentapeptide capable d’inhiber totalement l’agrégation de Aβ1-42, et d’autre part des pseudopentapeptides capables d’accélérer son agrégation. Nous avons aussi démontré l’influence de l’atome de fluor sur la structuration d’un pentapeptide. Des études par RMN et DC sont en cours. / ATP-sensitive potassium channels (KATP) play an important role in many cellular processes. The modulation of these channels by activating molecules may constitute very interesting pharmacological and medicinal applications. For this purpose, we have designed and synthesized new hybrid molecules cromakalim-diazoxide and diazoxide-amine/aminoacid. We also evaluated the relaxant activity of these compounds on aorta of rats. The obtained results do not show a significant relaxant effect. Studies on other tissues, including pancreatic  cells and uterine muscle, are envisaged to explore the potency of these compounds and their possible tissue selectivity.Otherwise, Protein-protein interactions play a fundamental role in almost all cellular processes. They are strongly involved in the formation of the dimeric structure of HIV-1 protease and β amyloid peptide aggregation involved in Alzheimer's disease. Inhibition of these interactions would be a therapeutic advantage for the treatment of AIDS and Alzheimer's disease. We designed and synthesized on one hand, molecular tongs based on carbonylhydrazide oligohydrazid (Azatide) fragments and in the other hand, pentapeptide molecules with a central fluorinated and hydroxylated aminoacid. Finally, we tested the ability of molecular tongs to disrupt the terminal β sheet of the HIV-1 PR to inhibit its dimerization and thus its activity. We have also conducted a structure-activity relationship study and According to the results it seems that flexibility is detrimental to the inhibitory activity. We evaluated as well the ability of new fluorinated and hydroxylated peptidomimetics to accelerate or inhibit the aggregation of Aβ1-42 peptide in order to reduce the presence of small toxic oligomers. The results are very promising that we succeeded in developing a pentapeptide able to completely inhibit the aggregation of Aβ1-42, and in the other hand pseudopentapeptides able to accelerate its aggregation. We also demonstrated the influence of fluorine on the structure of a pentapeptides. Studies by NMR and DC are in progress.

L’infarctus du myocarde (IM) survenant après l’obstruction de l’artère coronaire est la cause principale des décès cardiovasculaires. Après l’IM, le coeur endommagé répond à l’augmentation du stress hémodynamique avec une cicatrice et une hypertrophie dans la région non-infarcie du myocarde. Dans la région infarcie, la cicatrice se forme grâce au dépôt du collagène. Pendant formation de la cicatrice, les cardiomyocytes ventriculaires résidant dans la région non-infarcie subissent une réponse hypertrophique après l’activation chronique due au système sympathique et à l’angiotensine II. La cicatrisation préserve l’intégrité structurale du coeur et l'hypertrophie des cardiomyocytes apporte un support ionotropique. Le canal CaV1.2 joue un rôle dans la réponse hypertrophique après l’IM. L’activation du CaV1.2 déclenche la signalisation dépendante de Ca2+ induisant l’hypertrophie. Cependant, il est rapporté que l’ouverture des canaux potassiques (KATP) ATP sensitifs joue un rôle sélectif dans l’expansion de la cicatrice après IM. Malgré leur expression dans les coeurs mâles, les KATP fournissent une cardioprotection sexe dépendante limitant l’expansion de la cicatrice chez les femelles. L’administration de rapamycine aux rates ayant subi un infarctus produit l’expansion de la cicatrice, soutenant la relation possible entre la cible de rapamycine, mTORC1 et les KATP dans la cardioprotection sexe spécifique. Effectivement, dans les cellules pancréatiques α, la signalisation mTORC1 était couplée à l'activation du KATP. Cependant, le lien entre mTORC1 et les canaux KATP dans le coeur reste inconnu. L'objectif de la thèse est d’examiner le rôle des canaux ioniques dans le remodelage cardiaque post-IM, surtout des canaux calciques dans l'hypertrophie et d'élucider la relation entre les KATP et mTORC1. L’hypothèse première teste que l’hypertrophie médiée par le système sympathique des cardiomyocytes ventriculaires des rats néonataux (NRCM) produit une augmentation de l’influx calcique après une augmentation des sous-unités du CaV1.2. Le traitement de norépinéphrine (NE) quadruple l’amplitude du courant calcique type L et double l’expression protéique des sous unités de CaVα2δ1 et CaVβ3. L’hypertrophie des NRCM au NE s’associe à une augmentation de la phosphorylation de la Kinase ERK 1/2. Le β1-bloqueur metoprolol et l’inhibiteur ii de ERK1/2 diminuent l’effet de NE sur CaVα2δ1. Cependant, l’augmentation de CaVβ3 et de la réponse hypertrophique persiste. Ainsi, le signal β1-adrenergique à travers ERK augmente les sous-unités CaVα2δ1 outre l’hypertrophie. L’autre hypothèse examine la spécificité du sexe sur l’expansion cicatricielle médiée par rapamycine et l’influence de mTOR sur l’expression de KATP. Rapamycin augmente la surface de la cicatrice et inhibe la phosphorylation de mTOR chez les coeurs de femelles. Dans les coeurs des deux sexes, la phosphorylation de mTOR et l’expression de KATP, Kir6.2 et SUR2A sont similaires. Cependant, une grande inactivation de la tubérine et une faible expression de raptor sont détectées chez les femelles. Le traitement à l’ester de phorbol des NRCM induit l’hypertrophie, augmente la phosphorylation de p70S6K et l’expression SUR2A. Le prétraitement par Rapamycine atténue chacune des réponses. Rapamycin démontre un patron d’expansion cicatriciel sexe spécifique et une régulation de phosphorylation de mTOR dans IM. Aussi, l’augmentation de SUR2A dans les NRCM traités par PDBu révèle une interaction entre mTOR et KATP. / Myocardial infarction (MI) secondary to the obstruction of the coronary artery is the main cause of cardiovascular death. Following MI, the damaged heart adapts to the increased hemodynamic stress via formation of a scar and a hypertrophic response of ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium. In the infarcted region, a scar is formed via the rapid deposition of collagen. With ongoing scar formation, ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium undergo a hypertrophic response secondary to the chronic activation by the sympathetic system and angiotensin II. Collectively, scar formation and cardiomyocyte hypertrophy preserve the structural integrity of the heart and provide inotropic support, respectively. CaV1.2 channels play a significant role in the hypertrophic response post-MI. Notably, the activation of CaV1.2 channel triggers Ca2+-dependent signaling that induces hypertrophy. By contrast, the opening of ATP-sensitive potassium (KATP) channels was shown to partake in selective scar expansion following MI. Notwithstanding its expression in male hearts, KATP channels endow a sex-dependent cardioprotection limiting scar expansion selectively in females. Moreover, administration of the macrolide rapamycin to the infarcted female rat heart led to scar expansion, supporting the possible relationship between the target of rapamycin, mTORC1 and KATP channels in providing sex-specific cardioprotection. Indeed, in pancreatic-α cells, mTORC1 signaling was coupled to KATP channel activation. However, whether mTORC1 targets KATP channels in the heart remains unknown. Thus, the AIM of the thesis was to explore the role of ion channels in cardiac remodeling post-MI by specifically addressing the role of Ca channels in cardiomyocyte hypertrophy and elucidate the potential relationship between KATP channels and mTORC1 signaling. The first study tested the hypothesis that hypertrophied neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVMs) following sympathetic stimulation translated to an increase in calcium influx secondary to the augmentation of CaV1.2 channel subunits. NE treatment led to a 4-fold increase of L-type Ca2+ peak current associated with a 2-fold upregulation of CaVα2δ1 and CaVβ3 protein subunits in hypertrophied NRVMs. The hypertrophic response of NNVMs to NE was associated with the increased phosphorylation of extracellular regulated kinase (ERK1/2). The β1-blocker metoprolol and the ERK1/2 inhibitor suppressed NE-mediated protein upregulation of CaVα2δ1 whereas CaVβ3 upregulation and the hypertrophic response persisted. Therefore, sympathetic mediated β1-adrenergic signaling via ERK selectively upregulated the CaVα2δ1 subunit independent of NRVM hypertrophy. The second study tested the hypothesis that rapamycin-mediated scar expansion was sexspecific and mTOR influenced KATP channel subunit expression. Rapamycin administration translated to scar expansion and inhibited mTOR phosphorylation exclusively in females. In normal adult male and female rat hearts, mTOR phosphorylation and protein levels of KATP channel subunits Kir6.2 and SUR2A were similar. However, greater tuberin inactivation and reduced raptor protein levels were detected in females. NRVMs treated with a phorbol ester induced hypertrophy, increased p70S6K phosphorylation and SUR2A protein levels and rapamycin pretreatment attenuated each response. Thus, rapamycin administration to MI rats unmasked a sex-specific pattern of scar expansion and highlighted the disparate regulation of mTOR phosphorylation. Moreover, rapamycin-dependent upregulation of SUR2A in PDButreated NRVMs revealed a novel interaction between mTOR and KATP channel subunit expression

Les canaux potassiques sensibles à l'ATP (KATP) jouent un rôle primordial dans plusieurs processus cellulaires. La modulation de ces canaux par des molécules activatrices constituerait des applications pharmacologiques et médicinales très intéressantes. À cet effet nous avons conçu et synthétisé de nouvelles molécules hybrides cromakalim-diazoxide et diazoxide-amine/aminoacide. Nous avons également, évalué l'activité myorelaxante de ces composés sur l'aorte de rates. Les résultats obtenus ne montrent pas un effet myorelaxant significatif. Des études sur d'autres tissus, notamment les cellules β pancréatiques et le muscle utérin, sont envisagées afin d'explorer une éventuelle sélectivité tissulaire. Par ailleurs, les interactions protéine-protéine jouent un rôle fondamental dans presque tous les processus cellulaires. Elles sont fortement impliquées dans la formation de la structure dimérique de la protéase du VIH-1 et l'agrégation du peptide β amyloïde impliquée dans la maladie d'Alzheimer. L'inhibition de ces interactions serait donc d'un avantage thérapeutique pour le traitement du SIDA et de la maladie d'Alzheimer. Nous avons conçu et synthétisé d'une part, des pinces moléculaires à base de motifs carbonylhydrazides et oligohydrazides (Azatide), et d'autre part, des molécules pentapeptidiques avec un peudoaminoacide central alcoolfluoré. Enfin, nous avons testé la capacité des pinces moléculaires à perturber le feuillet β terminal de la PR du VIH-1 afin d'inhiber sa dimérisation et donc son activité. Nous avons réalisé de même une étude de relation structure-activité et d'après l'ensemble des résultats obtenus, il semblerait que la flexibilité est délétère pour l'activité inhibitrice. Nous avons également évalué la capacité des nouvelles molécules peptidomimétiques alcool fluorées à accélérer ou inhiber l'agrégation du peptide Aβ1-42 dans le but de diminuer la présence de petits oligomères neurotoxiques. Les résultats obtenus sont très prometteurs, nous avons réussi à développer d'une part un pentapeptide capable d'inhiber totalement l'agrégation de Aβ1-42, et d'autre part des pseudopentapeptides capables d'accélérer son agrégation. Nous avons aussi démontré l'influence de l'atome de fluor sur la structuration d'un pentapeptide. Des études par RMN et DC sont en cours.

Inwardly rectifying potassium (Kir) channels establish and regulate the resting membrane potential of excitable cells in the heart, brain and other peripheral tissues. Phosphatidylinositol- 4,5-bisphosphate (PIP2) is a key direct activator of ion channels, including Kir channels. Gasotransmitters, such as carbon monoxide (CO), have been reported to regulate the activity of Kir channels by altering channel-PIP2 interactions. We tested, in a model system, the effects and mechanism of action of another important gasotransmitter, hydrogen sulfide (H2S) thought to play a key role in cellular responses under ischemic conditions. Direct administration of sodium hydrogen sulfide (NaHS), as an exogenous H2S source, and expression of cystathionine γ-lyase (CSE), a key enzyme that produces endogenous H2S in specific brain tissues, resulted in comparable current inhibition of several Kir2 and Kir3 channels. A “tag switch” assay provided biochemical evidence for sulfhydration of Kir3.2 channels. The extent of H2S regulation depended on the strength of channel-PIP2 interactions: H2S regulation was attenuated when strengthening channel-PIP2 interactions and was increased when channel-PIP2 interactions were weakened by depleting PIP2 levels via different manipulations. These H2S effects took place through specific cytoplasmic cysteine residues in Kir3.2 channels, where atomic resolution structures with PIP2 gives us insight as to how they may alter channel-PIP2 interactions. Mutation of these residues abolished H2S inhibition, and reintroduction of specific cysteine residues into the background of the mutant lacking cytoplasmic cysteine residues, rescued H2S inhibition. Molecular dynamics simulation experiments provided mechanistic insights as to how sulfhydration of specific cysteine residues could lead to changes in channel-PIP2 interactions and channel gating.