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α7 Neuronal nicotinic acetylcholine receptors are one of two major classes of receptors responsible for cholinergic neurotransmission in the central nervous system. The existence of α7 neuronal nAChRs in different regions of the nervous system suggests their involvement in certain essential physiological functions as well as in disorders such as Alzheimer’s disease (AD), drug dependence, and depression. This project was aimed toward the discovery and development of small–molecule arylguanidines that modulate α7 nAChR function with improved subtype-selectivity through an allosteric approach. Identifying the required structural features of these small molecules allowed optimization of their negative allosteric modulator (NAM) actions at α7 neuronal nAChRs. MD-354 (3-chlorophenylguanidine) was the first small–molecule NAM at α7 nAChRs; however, it also binds at 5-HT3 receptors. The N-methyl analog of MD-354 appeared to be more selective toward α7 nAChRs than 5-HT3 receptors. Comparative studies using two series of novel compounds based on MD-354 and its N-methyl analog explored the aryl 3-position and investigated whether or not the MD-354 series and the N-methyl series bind in the same manner. Biological potencies of the MD-354 series and the N-methyl series of compounds, obtained from electrophysiological assays with Xenopus laevis oocytes expressing human α7 nAChRs in two-electrode voltage-clamp assays, showed that N-(3-iodophenyl)-N- methylguanidine (28) is the most potent analog at α7 nAChRs. Our comparative study and Hansch analyses indicated different binding modes of the two series. In addition, we investigated: i) the length/size of the aliphatic side chain at the anilinic nitrogen, ii) the effect of alkylating the guanidine nitrogen atoms, and iii) the necessity of the presence of these nitrogen atoms for the inhibitory effects of arylguanidines at α7 nAChRs. In efforts to explain the varied functional activity of these arylguanidines, homology models of the extracellular domain and the transmembrane domain of human α7 nAChRs were developed, allosteric sites identified, and docking studies and hydropathic analysis conducted. The 3D quantitative structure-activity relationships for our compounds were also analyzed using CoMFA. A pharmacophore for arylguanidines as α7 nAChR NAMs was identified. Together, these data should be useful for the subsequent design of novel arylguanidine analogs for their potential treatment of neurological disorders.

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique. / The function of ion channels is finely regulated by structural changes of key domains controlling the pore opening. These structural modulations arise from interactions with the local environment, since several domains can be sensitive to specific physico-chemical properties. Movements generated in the structure become notably perceptible when channels open a passage for some ions, thus generating a measurable ionic current according to the electrochemical potential. A detailed description of these structure-function relationships is however difficult to obtain from measurements involving a set of identical channels, since the fluctuations and distributions of different individual properties remain hidden in an average. To differentiate these properties, single-molecule recordings are required. The main purpose of this thesis is to study the structural aspects and molecular mechanisms of ion channels using fluorescence spectroscopy at the single-molecule level. Studies are oriented towards the development or improvement of new methods. A class of pore-forming toxin served as a first study model. Single-molecule fluorescence was also used to study an ionotropic glutamate receptor, a glycine receptor and a prokaryotic potassium channel. The first part focuses on the study of stoichiometry using fluorescent subunit counting. This method allows a direct measure of the number of fluorescent monomers within a single complex by counting the number of step-wise fluorescence intensity decrease following photobleaching events. Here we present the first description, to our knowledge, of the dynamic assembly of a membrane protein in a lipid environment. The purified monomeric Cry1Aa toxin clusters with other monomers depending on the concentration and saturates in a tetrameric conformation. An automated method has been developed to determine the stoichiometry of GFP-tagged membrane proteins expressed on mammalian cell surface. Although this expression system is suitable for the study of proteins of mammalian origin, background fluorescence is particularly important and significantly increases the risk of error in the manual counting process. The presented method allows a fast and automated analysis based on fixed criteria. The algorithm responsible for counting fluorescent monomers was optimized from simulations and adjusts its detection parameters automatically according to the fluorescence trace recording. The composition of two ion channels was successfully verified using this program. Finally, single-molecule fluorescence is measured together with ionic current of KcsA channels using a voltage-clamp fluorometry setup. These combined recordings allowed us to describe the function of ion channels simultaneously to their position and density as they diffuse in a lipid membrane of defined composition. We observed clustering of KcsA channels for various lipid compositions. Clustering does not appear to be caused by protein-protein interaction, but rather by microdomains induced by the shape of reconstructed channels in the lipid bilayer. It seems that clustered KcsA channels could then become coupled, resulting in cooperative gating events with conductance levels multiple to the “normal” unitary channel conductance. Moreover, as opposed to what is currently suggested, KcsA does not require a negatively charged phospholipid for its function. Several of our recordings rather suggest that conically shaped lipids in the lamellar liquid crystalline phase are sufficient to allow single channel opening. Clustered channels can on the other hand overcome the energy barrier to open cooperatively in uncharged cylindrical lipids.

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We develop a composite multiphysics model of excitation-contraction coupling for a rat ventricular myocyte under voltage clamp (VC) conditions to: (1) probe mechanisms underlying the response to Ca2+-perturbation; (2) investigate the factors influencing its electromechanical response; and (3) examine its rate-dependent behavior (particularly the force-frequency response (FFR)). Motivation for the study was to pinpoint key control variables influencing calcium-induced calcium-release (CICR) and examine its role in the context of a physiological control system regulating cytosolic Ca2+ concentration and hence the cardiac contractile response. Our cell model consists of an electrical-equivalent model for the cell membrane and a fluid-compartment model describing the flux of ionic species between the extracellular and several intracellular compartments. The model incorporates frequency-dependent calmodulin (CaM) mediated spatially heterogenous interaction of calcineurin (CaN) and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-II (CaMKII) with their principal targets and accounts for rate-dependent, cyclic adenosine monophosphate (cAMP)-mediated up-regulation. We also incorporate a biophysical model for cardiac contractile mechanics to study the factors influencing force response. The model reproduces measured VC data published by several laboratories, and generates graded Ca2+-release with high Ca2+ gain by achieving negative feedback control and Ca2+-homeostasis. We examine the dependence of cellular contractile response on: (1) the amount of activator Ca2+ available; (2) the type of mechanical load applied; (3) temperature (22 to 38ºC); and (4) myofilament Ca2+ sensitivity. We demonstrate contraction-relaxation coupling over a wide range of physiological perturbations. Our model reproduces positive peak FFR observed in rat ventricular myocytes and provides quantitative insight into the underlying rate-dependence of CICR. The role of Ca2+ regulating mechanisms are examined in handling induced Ca2+-perturbations using a rigorous cellular Ca2+ balance. Extensive testing of the composite model elucidates the importance of various direct and indirect modulatory influences on the cellular twitch-response with wide agreement with measured data on all accounts. We identify cAMP-mediated stimulation, and rate-dependent CaMKII-mediated up-regulation of Ca2+-trigger current (ICaL) as the key mechanisms underlying the aforementioned positive FFR. Our model provides biophysically-based explanations of phenomena associated with CICR and provides mechanistic insights into whole-cell responses to a wide variety of testing approaches used in studies of cardiac myofilament contractility.

Pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) are membrane-embedded receptors found extensively in pre- and post-synaptic membranes throughout the nervous system where they play an important role in neurotransmission. The function of the prototypic pLGIC, the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) is highly sensitive to changes in its lipid environment, while other pLGICs display varying lipid sensitivities. This thesis presents a multidisciplinary investigation into the features of the transmembrane domain (TMD) that determine the unique functional and physical traits of different pLGICs. Using two prokaryotic homologues of the nAChR, ELIC and GLIC, as models, I focus on the outermost, lipid-exposed α-helix, M4, which, despite being distant from the primary allosteric pathway coupling agonist binding to channel gating, exercises significant control over channel function. Here, I present evidence that M4 acts as a lipid sensor, detecting changes in the surrounding lipids and transmitting these changes to the channel pore via contacts with the adjacent TMD α-helices, M1 and M3, and/or with structures in the extracellular domain. Using ELIC and GLIC chimeras, I first show that the TMD is the main driver of pLGIC thermal stability. I then demonstrate that the M4 α-helices in each channel play different roles in channel maturation and function, which suggests a divergent evolutionary path. Following this, I show that the M4 C-terminus is essential to both maturation and function in GLIC, while in ELIC its role is less defined, again showcasing possible evolutionary differences. Building on these findings, I examined the role of aromatic residues at the M4 – M1/M3 interface, and found that they predictably determine the interactions between M4 and M1/M3. Notably, the addition of aromatic residues to enhance M4-M1/M3 interactions in ELIC promotes channel function, while the elimination of aromatic residues at the M4-M1/M3 interface in GLIC is detrimental to channel function. Furthermore, I show that these same aromatics alter the strength of pLGIC lipid sensing and the sensitivity to certain disease-causing mutations, both indicating that aromatic residues are key players in channel function, stability and modulation. Finally, I and my collaborators identified and characterized a novel desensitization-linked lipid binding site in ELIC. Extensive mutagenesis studies coupled with biophysical measurements allowed us to develop a model describing how lipid binding influences the rates of ELIC desensitization to shape the agonist-induced response.

Les canaux de potassium voltage-dépendant (Kv) sont des tétramères séparés en 12 familles. Chaque sous-unité est composée de six segments transmembranaires (S1-S6). Les quatre premiers (S1-S4) forment le senseur de voltage dont le rôle est de détecter des variations en potentiel membranaire grâce à des acides aminés chargés. Ces acides aminés vont bouger et ce mouvement va être transmis au second domaine, celui du pore (S5-S6). Les domaines du pore des quatre sous-unités vont se combiner pour créer le pore. Ces sous-unités peuvent former des canaux homomériques où chaque sous-unité est identique ou des canaux hétéromériques avec des membres de la même famille. Kv6.4 (KCNG4) est un membre de la famille de sous-unité silencieuse Kv6. Les familles de sous-unités silencieuses incluent également Kv5, Kv8 et Kv9. Ils ne peuvent pas former d’homomères. À la place, il doit former des hétéromères avec Kv2. Les canaux Kv2.1/Kv6.4 ont des propriétés différentes, lorsque comparées aux homomères de Kv2.1, particulièrement avec un décalage de l’inactivation vers les négatifs. Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’absence d’une charge positive à la position Kv6.4-Y345 est responsable pour une partie du décalage tout en étant capable de réduire ce décalage avec la mutation Kv6.4-Y345R. Nous avons également pu produire l’effet inverse dans Kv2.1 avec Kv2.1-R306Y. Également, nous avons déterminé que la mutation Kv6.4-L360P trouvée chez des patients souffrant de migraines mène à cette pathologie à cause d’un problème de trafic où les sous-unités mutées ne peuvent pas atteindre la surface et produire des canaux fonctionnels. Ce problème est causé par un bris dans l’hélice alpha du segment S4-S5. Uniquement des homomères de Kv2.1 se rendent à la surface ce qui réduit l’excitabilité membranaire. Nous proposons que lorsqu’exprimée dans le ganglion trigéminal, cette mutation mène à des migraines. / Voltage-gated potassium channels (Kv) are tetramers split into 12 families. Each subunit is composed of six transmembrane helices (S1-S6). The first four of those (S1-S4) form the voltage sensor domain whose role it is to detect variations in the membrane potential through charged amino acids. The movement of those amino acids will be transmitted to the second domain, the pore domain (S5-S6). The pore domain of all four subunits will combine to form the ion conducting pore. These subunits can form homomers where all four subunits are identical or heteromers with members of the same family. Kv6.4 (KCNG4) is a member of the silent subunit family Kv6, which also includes Kv5, Kv8 and Kv9. They cannot form functioning homomers. Instead, they form heteromers with Kv2. Kv2.1/Kv6.4 channels have different properties when compared to Kv2.1 homomers, particularly a negative shift of the voltage dependence of inactivation. With the cut-open voltage clamp fluorometry (COVC) technique, we were able to determine that the absence of a gating charge at position Kv6.4-Y345 is responsible for part of this shift. We were able to recover part of this shift with the mutation Kv6.4-Y345R. We were also able to produce the inverse effect in Kv2.1 with the mutation Kv2.1-R306Y. Also, we determined that the mutation Kv6.4-L360P. which is found in patients suffering from migraines, leads to this condition because of a trafficking defect caused by the mutation stopping the subunits from reaching the membrane and making functional channels. The defect is caused by a kink in the alpha helix of the S4-S5 linker. Only Kv2.1 homomers reach the membrane which reduces membrane excitability. We propose that when expressed in the trigeminal ganglion, this mutation leads to migraines because of this trafficking defect.

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Les canaux potassiques voltage-dépendants forment des tétramères dont chaque sous-unité comporte six segments transmembranaires (S1 à S6). Le pore, formé des segments S5-S6 de chaque sous-unité, est entouré de quatre domaines responsables de la sensibilité au potentiel membranaire, les senseurs de voltage (VS; S1-S4). Lors d’une dépolarisation membranaire, le mouvement des résidus chargés situés dans le VS entraine un mouvement de charges détectable en électrophysiologie, le courant de « gating ». L’activation du VS conduit à l'ouverture du pore, qui se traduit par un changement de conformation en C-terminal du segment S6. Pour élucider les principes qui sous-tendent le couplage électromécanique entre ces deux domaines, nous avons étudié deux régions présumées responsables du couplage chez les canaux de type Shaker K+, soit la région carboxy-terminale du segment S6 et le lien peptidique reliant les segments transmembranaire S4-S5 (S4-5L). Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’interaction inter-sous-unitaire RELY, formée par des acides aminés situés sur le lien S4-5L et S6 de deux sous-unités voisines, est impliquée dans le développement de la composante lente observée lors du retour des charges de « gating » vers leur état de repos, le « OFF-gating ». Nous avons observé que l’introduction de mutations dans la région RELY module la force de ces interactions moléculaires et élimine l’asymétrie observée dans les courants de « gating » de type sauvage. D’ailleurs, nous démontrons que ce couplage inter-sous-unitaire est responsable de la stabilisation du pore dans l’état ouvert. Nous avons également identifié une interaction intra-sous-unitaire entre les résidus I384 situé sur le lien S4-5L et F484 sur le segment S6 d’une même sous-unité. La déstabilisation de cette interaction hydrophobique découple complètement le mouvement des senseurs de voltage et l'ouverture du pore. Sans cette interaction, l’énergie nécessaire pour activer les VS est moindre en raison de l’absence du poids mécanique appliqué par le pore. De plus, l’abolition du couplage électromécanique élimine également le « mode shift », soit le déplacement de la dépendance au voltage des charges de transfert (QV) vers des potentiels hyperpolarisants. Ceci indique que le poids mécanique du pore imposé au VS entraine le « mode shift », en modulant la conformation intrinsèque du VS par un processus allostérique. / Voltage-gated potassium channels are tetramers and each subunit is formed of six transmembrane segments (S1 to S6). The pore, formed by the S5-S6 segments of each subunit, is surrounded by four modules responsible for sensitivity to the membrane potential, the voltage sensors (VS, S1-S4). During membrane depolarization, the movement of charged residues located in the VS causes a detectable charge movement called the gating current. The activation of the VS led to the opening of the pore, resulting in a conformational change in the C-terminal segment of S6. To elucidate the principles underlying the electromechanical coupling between these two domains, we examined two regions presumed responsible for the coupling among channels of the Shaker K + family: the carboxy-terminal region of S6 and the peptide bond linking the transmembrane segments S4-S5 (S4-5L). Using the cut-open voltage clamp fluorometry (COVCF), we have determined that the RELY inter-subunit interaction, formed by amino acids located on the S4-5L linker and S6 of two neighboring subunits, is involved in the development of the slow component observed during the return of the gating charges (OFF-gating) to their resting state. The introduction of mutations in the RELY region modulates the strength of these molecular interactions and eliminates the asymmetry observed in the wild type gating currents. Moreover, we demonstrate that this inter-subunit coupling is responsible for stabilizing the pore in the open state. We have also identified an intra-subunit interaction between residues I384 located on the S4-5L linker and F484 on the S6 segment of the same subunit. The destabilization of this hydrophobic interaction uncouples completely the movement of voltage sensors from pore opening. Without this interaction, the energy required to activate the VS is diminished due to the absence of mechanical weight applied by the pore. Furthermore, this uncoupling also eliminates the "mode shift", defined as an amplified shift of the voltage dependence of gating charge (QV) to hyperpolarizing potentials during prolonged depolarization, thus indicating that the mechanical load of the pore influences the entry of the VS into this shifted mode by modulating the conformation of the VS threw an intrinsic allosteric process.

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP. / Voltage-gated ion channels are responsible for the initiation and propagation of action potentials in excitable cells. Several hereditary diseases (channelopathies) are associated with a defective voltage control by these channels, leading to arrhythmias, epilepsy, etc. Hence, establishing the exact structure/function relation for ion channels is crucial for the development of new specific therapeutic agents. Here, the bacterial voltage-gated potassium channel KvAP served as a model to study i) electromechanical coupling, ii) influence of lipids on the voltage dependent activity and iii) closed-state inactivation. To overcome the lack of structural information on the cytosolic side and of crystal structure in the closed state, we determined the S4-S5 linker movement during gating using fluorescence spectroscopy (LRET). We were able to control the conformational state of the channels by using lipids (phospholipids and non phospholipids) instead of voltage clamp. Based on these experimental constraints, a model in the closed state was produced, showing that a small 4Å radial displacement of the S4-S5 linker is sufficient to close the conduction pore. Interactions between lipids and membrane proteins play an important role in the regulation of ion channels activity but are not well characterized. We studied the influence of different lipids on KvAP voltage-dependent activation and showed two distinct effects related to different interactions sites: one bound to the voltage sensor, leading to a shift of the conductance-voltage curve, and another at the intracellular side near the pore region, affecting the steepness of this curve. We also showed that the exchange of lipids is very limited around KvAP and seems to be state dependent, occuring only when the channels are kept in the open state. KvAP has a slow inactivation atypical, accessible from the open state. We studied the effects of lipid composition and temperature on entry into inactivation and recovery. We also used voltage-clamp fluorometry in bilayers to investigate closed-state inactivation molecular basis. We identified a position at the bottom of the S4 helix that seems involved in the mechanism for slow inactivation and the extremely slow recovery from inactivation typically displayed by KvAP.