Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 61-63. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 183-186. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les cotransporteurs cation-Cl (CCCs) appartiennent à une grande famille de protéines qui comprend neuf isoformes : CCCl à CCC7, qui permettent le mouvement du Cl" avec celui d'un Na+ et/ou K+ à travers la membrane cellulaire, CCC9, qui agit comme un transporteur de polyamine (PA) - glutamate, et CCC8, dont on en connaît pas la fonction. Les CCCs font aussi partie d'une famille plus large de protéines qui sont regroupées sous le nom de « amino acid - polyamine - orgcmocation carriers (APC) ». À l'exception de CCC9, cependant, les protéines impliquées dans le transport des PAs n'ont été isolées que chez les unicellulaires et ne font pas nécessairement partie de la famille des APC. Dans cette étude, nous avons trouvé que CCC8 joue vraisemblablement le rôle de transporteur de polyamines chez des espèces plus complexes puisque son expression dans les cellules HEK-293 augmente l'influx de spermidine à la surface cellulaire et puisque cette protéine est ubiquitaire chez les mammifères. Nous avons aussi observé que l'influx de spermidine dirigé par les cellules exprimant CCC8 est inhibé par la pentamidine, le methyl-glyoxal-bis-guanylhydrazone, le furosémide et la paraquat, et que cet influx est aussi associé avec celui certains ions comme le Na+ et le Cl". Ainsi, un groupe de substrats qui sont transportés par CCC8 a été découvert pour la première fois suite à ce travail tout comme l'identification d'un nouveau système de transport de polyamines dans les cellules animales. Ces résultats ont un intérêt majeur puisque les polyamines intracellulaires jouent un rôle clé dans la prolifération cellulaire.

Ce mémoire de maîtrise porte sur la régulation du cotransporteur Na+-K+-Cl- de type 2 (NKCC2), de ses variantes d’épissage NKCC2A, NKCC2B et NKCC2F plus précisément, par les with no lysine kinases (WNKs) dont certains isoformes sont associés au pseudohypoaldostéronisme de type II, une maladie héréditaire causant de l’hypertension artérielle. Ces variantes sont exprimées uniquement dans l’anse ascendante de Henle où elles réabsorbent une partie importante du NaCl filtré, et elles sont identiques entre elles excepté pour un segment de 32 acides aminés codé par l’exon 4. Dans ce travail, j’ai utilisé le système d’expression de l’oocyte du Xenopus laevis pour déterminer si l’exon 4 de NKCC2 confère des différences de sensibilité à l’action des WNK parmi les variantes. J’ai démontré que tel était bien le cas, et que certains résidus dans l’exon 4 jouaient probablement un rôle important dans le recyclage endocytique de NKCC2 sous l’effet de L-WNK1 et de WNK3. / This thesis is concerned with the regulation of Na+-K+-Cl- cotransporter type 2 (NKCC2), of its splice variants NKCC2A, NKCC2B and NKCC2F more specifically, by the with no lysine kinases (WNKs) among which certain isoforms have been linked to pseudohypoaldosteronism type II, a hereditary disorder causing systemic hypertension. These variants are expressed exclusively in the thick ascending limb of Henle where they reabsorb 20 % of the filtrated NaCl load, and they are identical among each other except for a 23-amino acid segment that is encoded by exon 4. In this work, I have used the Xenopus laevis oocyte expression system to determine whether exon 4 in NKCC2 conveys variant-specific sensitivities to the action of WNKs. I have shown that this was indeed the case, and that certain residues in exon 4 probably play an important role in endocytic recycling of NKCC2 under the effect of L-WNK1 and WNK3.

Le cotransporteur Na+-K+-G" rénal, aussi appelé NKCC2, est une protéine polytopi-que dont le rôle est de coupler le mouvement des ions Na+, K+ et Cl" à la surface cellulaire. Il est exprimé exclusivement dans la membrane apicale de l'anse ascendante large de Henle (TALH) où il veille à la réabsorption des ions filtrés. Ce faisant, il contribue à la concentration et à la dilution de l'urine, au rétrocontrôle tubuloglomérulaire et au maintien de la pression artérielle (PA) via celui du volume extracellulaire. À cet effet, l'inactivité de NKCC2 dans le syndrome héréditaire de Bartter se manifeste par des pressions qui sont souvent normales basses. L'activité de NKCC2 augmente lorsque la concentration intracellulaire (Ci) des ions transportés diminue, et ce, grâce à des modifications posttranslation-nelles qui incluent la phosphorylation du transporteur. L'activité de NKCC2 est aussi régulée avant l'étape de la traduction en protéine, mais il y a peu de données disponibles à ce chapitre. Le but du présent mémoire était de déterminer si des changements de la concentration intracellulaire des ions Na⁺, K⁺ ou C1⁻ affectaient aussi l'expression de NKCC2 par des mécanismes opérant aux étapes transcriptionnelle ou posttranscriptionnelle de la synthèse du transporteur. Pour ce faire, nous avons transfecté des cellules immortalisées provenant du TALH avec des régions promotrices de NKCC2, les avons soumises à différentes conditions de culture, et les avons analysées de manière à quantifier l'activité transcriptionnelle de NKCC2 et son expression. Nos résultats montrent qu'à court terme, une diminution de la concentration intracellulaire des ions Na⁺ et Cl⁻ entraîne une augmentation de l'activité transcriptionnelle de NKCC2 et sans doute aussi de la stabilité de son ARNm, alors qu'à moins court terme, elle entraîne une diminution de l'activité transcriptionnelle de NKCC2. Ces données suggèrent donc l'existence de facteurs de transcription dont l'activité est sensible à la concentration intracellulaire des ions transportés par NKCC2 et dont la cible comprend le promoteur du gène. Elles suggèrent aussi que l'effet immédiat d'une diminution de la concentration intracellulaire des ions est d'augmenter l'activité de NKCC2 par différents mécanismes à action rapide, mais que l'effet plus tardif est d'autolimiter la synthèse du cotransporteur à l'étape transcriptionnelle pour empêcher un transport excessif des ions vers l'intérieur de la cellule.

Le cotransporteur Na-K-CI rénal (NKCC2) couple le transport de 4 ions (1 Na+, 1 K+ ou 1 Rb +, et 2 Cr) à travers la membrane apicale de l'anse ascendante de Renle, contribuant à la réabsorption de l'ultrafiltrat glomérulaire. L'épissage alternatif de l'exon 4 engendre 2 variantes appelées ±A¿ et ±F¿ dont la séquence dans le deuxième segment transmem-branaire (tm2) et dans la première boucle intracellulaire (cs1) diffère. Il confère aussi des différences d'affinité ioniques, i.e., ± A ¿ a des Km beaucoup plus bas que ± F ¿ pour tous les ions grâce à des résidus spécifiques que nous avons identifiés par des études mutagéniques, i.e., les résidus 216 et 220 dans tm2 (qui moduleraient l'affinité pour le Rb et Cl, respectivement) et certains résidus de csl incluant 223, 229, 233 et peut être 225 (qui moduleraient l'affinité pour le Cl). À ce stade-ci, notre but principal est d'avancer notre recherche sur la compréhension des déterminants qui confèrent à ± A ¿ et ± F¿ leurs caractéristiques cinétiques propres. Nous savons que les résidus ± modificateurs d'affinité¿ identifiés opèrent en combinaison mais ignorons la séquence des cassettes en ~ant que tel et leur spécificité ionique. Nous avons donc créé des . chimères en interchangeant des paires de résidus entre ± A ¿ et ± F ¿, i.e. résidus 216 et 220 dans tm2, 223 et 225 dans cs1, 223 et 229 dans csl, et 220 et 225 dans tm2-cs1, pour ensuite exprimer les mutants dans des oocytes de Xenopus laevis et analyser leur dépendance à chacun des ions. Nous avons trouvé, de façon fort intéressante, que la cassette 220; 223; 225; 233 modulait l'affinité pour les ions Na+-Cr (incluant le site à haute affinité pour le Cl) et que la 'cassette 216; 225 modulait celle pour le Rb. Toutefois, les résultats obtenus pour l'une des chimères (± F ¿ chez qui les résidus 216 et 220 ont été remplacés par ceux de ± A ¿) avait un comportement inattendu puisque son affinité pour le Rb est demeurée identique à celle de ± F ¿. En conclusion, les résidus de tm2 et csl fonctionnent probablement en synergie pour assurer la coordination ionique par NKCC2. Par ailleurs, nos résultats suggèrent l'existence d'au moins 2 cassettes ± modificatrices d'affinité ¿, l'une pour le Na-Cl et l'autre pour le K-Cl.

Les troubles du neurodéveloppement tels que le syndrome de Rett et les troubles du spectre de l'autisme (TSA), touchent environ 2% des enfants âgés entre 1 à 17 ans au Canada et sont caractérisés par un déséquilibre de l'homéostasie des ions chlorure (Cl-). Cette perturbation de l'homéostasie Cl est souvent associée à un trouble d'inhibition neuronale lié à la fonction de l'acide gamma-aminobutyrique (GABA), le principal neurotransmetteur inhibiteur du cerveau. Cet équilibre est fortement régulé par l'expression de deux cotransporteurs, le NKCC1 (cotransporteur Na-K-Cl, importateur de Cl) et le KCC2 (cotransporteur K-Cl, exportateur de Cl). Pour étudier les troubles neurodéveloppementaux liés au transport du Cl, nous nous sommes concentrés sur l'expression du cotransporteur KCC2, un cotransporteur spécifique aux neurones du système nerveux central (SNC). Son expression augmente au cours du neurodéveloppement, mais elle est altérée dans le contexte des troubles du neurodéveloppement. À cet égard, nous avons utilisé un modèle d'organoïdes cérébraux humains (hCOs) pour obtenir un environnement 3D fidèle à la neurogenèse humaine, fournissant des interactions biologiques complexes entre plusieurs types cellulaires. Ces hCOs ont été dérivés de cellules souches pluripotentes induites (hiPSCs) reprogrammées à partir de cellules de patientes atteintes du syndrome de Rett, portant des mutations sur le gène MECP2 et leurs lignées contrôles isogéniques. Pour aider à comprendre l'importance des cotransporteurs NKCC1 et KCC2 dans les troubles d'inhibition neuronale lors du neurodéveloppement, nous avons performé une série de RT-qPCR sur des hCOs mutés pour le gène MECP2 à différents moments dans le temps. Puisqu'une compréhension de la cause et des conséquences d'un débalancement de l'équilibre excitateur/inhibiteur (E/I) du GABA est la première étape vers la conception d'une thérapie, ce modèle pourrait éventuellement être utilisé pour investiguer la pharmacogénétique associée à de futurs traitements. / Neurodevelopmental disorders, such as Rett syndrome and autism spectrum disorder (ASD), affect approximately 2% of children aged 1 to 17 years in Canada and are characterized by an imbalance in chloride ion (Cl-) homeostasis. This disruption of Cl homeostasis is often associated with a neuronal inhibition disorder related to the function of gamma-aminobutyric acid (GABA), the primary inhibitory neurotransmitter in the brain. This balance is heavily regulated by the expression of two cotransporters, the NKCC1 (Na-K-Cl cotransporter, importer of Cl ) and the KCC2 (K-Cl cotransporter, exporter of Cl ). To investigate neurodevelopmental disorders related to Cl transport, we focused on KCC2, the cotransporter specific to neurons in the central nervous system (CNS). Its expression increases during healthy neurodevelopment but is altered in the context of neurodevelopmental disorders. In this regard, we use a model of human cerebral organoids (hCOs) to obtain a 3D environment faithful to human neurogenesis, providing complex biological interactions between multiple cell types. These hCOs were derived from induced pluripotent stem cells (hiPSCs) obtained from female patients with Rett syndrome carrying mutations in the MECP2 gene and isogenic control hiPSC lines. To help understand the importance of cotransporters NKCC1 and KCC2 in neuronal inhibition disorders during neurodevelopment, we performed a series of RT-qPCRs on hCOs carrying mutations in the MECP2 gene, at different time points. Since an understanding of the cause and consequences of an imbalance in the excitatory/inhibitory (E/I) balance of GABA is the first step towards the development of a therapy, this model could potentially be used to investigate the pharmacogenetics associated to future treatments.

Cette thèse de doctorat porte sur la régulation du cotransporteur K+-Cl- de type 4 (KCC4) par la « WNK lysine deficient protein kinase 4 » (WNK4), une sérine-thréonine kinase qui a été découverte en 2001. Le cotransporteur KCC4 fait partie de la famille des cotransporteurs cation-Cl- (CCC) qui compte neuf membres. Le cotransporteur KCC4, et les autres isoformes de type KCC, sont des protéines de surface qui couplent l’efflux du Cl- à celui du K+ de manière électroneutre. Ce faisant, ils régulent le Cl- intracellulaire (Cl-i), le volume cellulaire (Vi) et la réabsorption basolatérale du Cl- dans les épithélia. Bien qu’ils soient activés par une augmentation du Cl-i et du Vi, les intermédiaires signalétiques impliqués demeurent mal caractérisés à ce jour. À cet effet, WNK4 pourrait correspondre à l’un de ces intermédiaires puisqu’elle régule plusieurs systèmes de transport, dont les KCC. Les objectifs de cette thèse étaient donc de déterminer si WNK4 régule l’activité de KCC4 suite à des changements de Vi et de Cl-i, et si c’est le cas, par quels mécanismes. Pour répondre à ces objectifs, nous avons adopté une approche structure-fonction par laquelle des mutations ont été introduites dans les protéines KCC4 ou WNK4. L’effet de ces mutations a été analysé dans le système d’expression hétérologue des ovocytes de Xenopus laevis grâce à des études fonctionnelles, d’expression de surface, d’immunofluorescence et de phosphorylation. Nos travaux ont permis de montrer pour la première fois que WNK4 et PP1 sont bel et bien impliquées dans la régulation de KCC4 suite à une augmentation du Vi, mais que contrairement à des hypothèses avancées antérieurement, PP1 agirait en aval plutôt qu’en amont de WNK4, et qu’elle agirait aussi sur KCC4 par l’intermédiaire d’autres intervenants signalétiques. Nous avons aussi identifié deux résidus dans le domaine C-terminal de KCC4 qui soutiennent l’effet de WNK4 et de PP1. En somme, ces travaux pourraient permettre d’identifier de nouvelles voies de signalisation impliquées dans la régulation de KCC4 par WNK4 et PP1 et, par conséquent, d’offrir d’autres cibles thérapeutiques pour traiter des désordres électrolytiques. / This Ph.D. thesis focuses on the regulation of K+-Cl- cotransporter type 4 (KCC4) by WNK lysine deficient protein kinase 4 (WNK4), a serine threonine kinase that was discovered in 2001. The cotransporter KCC4 belongs to the cation-Cl- cotransporter (CCC) family that includes nine members. This transporter, along with the three other KCC isoforms, corresponds to cell surface proteins that couple elctroneutral efflux of Cl- with that of K+. In doing so, KCC family members regulate intracellular Cl- (Cl-i), cell volume (Vi) and basolateral reabsorption of Cl- across a variety of epithelia. Although they are activated by an increase in Cl-i and Vi, the signaling intermediates involved remain largely unknown to date. In this regard, WNK4 could correspond to one such intermediate given that it regulates several transport systems including KCC. On the basis of these premises, the main objectives of this thesis were to determine whether WNK4 regulates KCC4 activity during changes in Cl-i and Vi and if so, through which mechanisms. To address these objectives, I exploited a structure-function approach in which mutations were introduced in both KCC4 or WNK4 and in which the effect of such mutations were analyzed in the Xenopus laevis expression system through functional, expression, immunofluorescence studies and phosphorylation. My studies allowed to show for the first time that WNK4 et PP1 are indeed involved in KCC4 regulation during an increase in Vi, but that in contrast to previous assumptions, PP1 would act downstream instead of upstream of WNK4, and that it would also act on KCC4 through additional signaling intermediates. Lastly, we have identified two residues in the C-terminus of KCC4 that mediate the effect of WNK4 and PP1. Taken together, these results could help identifying new signaling pathways of KCC4 regulation by WNK4 and PP1, and thus offer other therapeutic targets to treat electrolyte disorders.

Ce mémoire porte sur l'étude d'une variante d'épissage du cotransporteur humain cation-chlore orphelin (huCCC9a), un membre de la superfamille des cotransporteurs cation-chlore qui compte neuf membres, CCC1 à 7 qui ont pour fonction de transporter les ions Na+ et/ou K+ avec le Cl" à travers les surfaces cellulaires, et CCC8 et 9, dont les substrats ioniques demeurent inconnus à ce jour. Nous avons découvert que huCCC9, bien qu'il appartienne à la famille des CCCs, fait partie d'un groupe plus large de protéines appelé « famille des transporteurs d'acides aminés-polyamines-organocations » (ou APC pour l'acronyme anglais amino acid-polyamine-organocation transporter s). Nous avons donc voulu savoir si huCCC9a est impliqué dans le mouvement transmembranaire (tm) des polyamines d'autant plus que la plupart des cellules animales semblent être capable de promouvoir le transport facilité de tels substrats sans que la nature moléculaire exacte des protéines responsables, contrairement aux organismes unicellulaires, ait pu être déchiffrée. Nos résultats ont montré que huCCC9 permettait le transport de la spermidine > spermine > putrescine. De plus, nous avons aussi trouvé que l'influx de polyamines par CCC9a est augmenté en présence de certains acides aminés, que cet influx est indépendant des ions Na+ , K+ et Cl" et qu'il est inhibé par le furosémide et la pentamidine. Ces résultats revêtent une importance capitale en ce qu'ils correspondent à la première identification faite à ce jour d'un transporteur de polyamine chez les cellules animales et en ce sens qu'il semble exister un lien important entre le métabolisme intracellulaire des polyamines et la carcinogenèse de même qu'entre le gène CCC9a et une maladie appelée psoriasis vulgaris. / Cation-Cl" transporters (CCCs) belong to a large family of proteins that includes nine isoforms: CCC1 to 7, which have been shown to promote Cl" movement along with Na+ and/or K+ movement across cell surfaces, and CCC8 and 9, which have not been ascribed a specific transport function yet. The CCCs are also part of a larger family of proteins that are regrouped under the name amino acid-polyamine-organocation carriers (APC). In contrast to the CCCs, however, proteins involved in polyamine transport have only been isolated from unicellular species and do not necessarily belong to the APC family. In this work, we have found that a splice variant of CCC9 (called CCC9a) probably operates as one such polyamine transporter in higher species given that its expression in HEK-293 cells increases the influx of spermidine > spermine > putrescine at the cell surface and that it is otherwise widely distributed in certain mammals. We have also found that the influx of PAs by CCC9a increases further in the presence of certain amino acids, is Na+ -K+ -Cl"-independent and is inhibited by furosemide and pentamidine. Hence, a group of substrates that are transported by CCC9 as well as the molecular identity of a PA transport System in animal cells have been uncovered through this work for the first lime. These findings are of special interest given that CCC9 has been linked to the development of psoriasis vulgaris in the population and that intracellular PAs play a key role in cellular proliferation.

Cette thèse de doctorat a porté sur l'étude de deux protéines membranaires d'origine animale appelées CCC8 (ou SLC12A9) et CCC9 (ou SLC12A8) qui appartiennent à la superfamille des cotransporteurs cation-chlore, mais dont le rôle n'est pas de transporter les ions Na+ et/ou K+ avec le Cl" à travers les surfaces cellulaires à l'instar des autres membres de la famille. En cours de caractérisation, nous avons trouvé que CCC8 et 9 pouvaient se comporter comme des transporteurs de polyamines à la surface cellulaire, ce qui nous a permis d'être les premiers à identifier de tels systèmes de transport chez les animaux. On en connaissait l'existence depuis longtemps, mais pour une raison imprécise, leur identité moléculaire était demeurée elusive. Il faut mentionner à cet effet que tous les CCCs font partie d'un groupe plus large de protéines appelé « transporteurs d'acides aminés-polyamines-organocations » (ou APC pour l'acronyme anglais amino acid-polyamine-organocation carriers). L'importance de nos résultats réside dans le rôle que jouent les polyamines dans la prolifération et la differentiation cellulaires, et ce, dans des conditions normales autant que pathologiques. Entre autres, il semble exister un lien important entre le métabolisme intracellulaire des polyamines et la cancérogenèse de même qu'entre le gène CCC9 et une maladie appelée psoriasis vulgaris.