Projet ANR-14-CE13-0010 – Dynaselect : Sélectivité ionique dynamique de canaux K+ et développement et excitabilité cellulaires
Programme : Une nouvelle représentation du vivant (DS0401)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Florian LESAGE (Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire)
Partenaires : Institut de Biologie de Valrose; Laboratoire public; Laboratoire de Physio-Médecine Moléculaire
Montant : 583377.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Sélectivité dynamique des canaux ioniques, rôles physiologique et conservation au cours de l’évolutionLe canal TWIK1 peut inhiber ou stimuler l’excitabilité cellulaire selon sa sélectivité ionique. Le projet propose d’évaluer les conséquences physiologiques de cette observation et de rechercher l'existence d'autres canaux à sélectivité dynamique chez le nématode et l'homme.
Etablir et comprendre un nouveau mode de régulation de l’excitabilité cellulaireLe canal potassium TWIK1 devient perméable au sodium lorsqu’il est soumis à un pH acide, notamment dans le compartiment endosomal de recyclage. Le passage d’un état non sélectif à pH acide à un état sélectif pour le potassium à pH neutre est lent et réversible. Il nécessite plusieurs minutes. L’état inhibiteur (sélectif au potassium) ou excitateur (perméable au sodium) de TWIK1 va donc dépendre de sa vitesse de recyclage entre membrane plasmique et endosomes. Les objectifs sont d’établir les mécanismes moléculaire de la transition entre ces différents états de sélectivité ionique ainsi que l’impact physiologique de la sélectivité ionique dynamique sur différents paramètres physiologiques (fonction rénale, pression artérielle, insulinémie, comportement). Nous étudierons également l’effet de différentes mutations géniques de TWIK1 dans des pathologies humaines et la présence probable d’une sélectivité dynamique dans d’autres canaux chez l’humain et le nématode.
Préparation et phénotypage de souris Knock In et mise au point d’un canal photomodulableNous avons identifié les résidus du pore ionique qui sont impliqués dans la sélectivité ionique dynamique de TWIK1. Grâce à cela nous avons identifié des canaux ayant des séquences compatibles avec une sélectivité dynamique. Nous clonerons et caractériserons ces canaux. Grâce à cette information, nous avons pu aussi créer des versions mutantes de TWIK1 bloquées dans l’état sélectif au potassium ou dans l’état perméable au sodium. Nous allons donc préparer des souris Knock In (KI) exprimant ces différentes formes et comparer les souris sauvages exprimant la version normale de TWIK1, les souris KO qui n’expriment plus TWIK1 et les souris KI qui expriment les versions mutantes de TWIK1. D’autre part, et parce qu’il n’existe pas de pharmacologie sélective de TWIK1, nous allons créer un canal TWIK1 modulable par la lumière. Nous pourrons ainsi étudier de façon dynamique comment l’activité de TWIK1 affecte le potentiel électrique de membrane
Résumé de la soumission : L'établissement et la modulation d'un potentiel électrique transmembranaire constitue un prérequis pour de nombreuses fonctions physiologiques dont la contraction musculaire, le rythme cardiaque, la sécrétion des neurotransmetteurs et de hormones, le codage neuronal de l'information, l'audition etc. Certains canaux ioniques, notamment les canaux sodique et calciques, favorisent une sortie de charges positives et une dépolarisation du potentiel électrique membranaire. Cette dépolarisation favorise l'excitabilité cellulaire. Les canaux potassiques au contraire favorisent l'entrée de charges positives et une hyperpolarisation qui diminue l'excitabilité. Ce contrôle de l'excitabilité par deux classes antagonistes de canaux constitue le dogme actuel. Nous avons récemment montré qu'un même canal, le canal TWIK1, peut jouer alternativement ces deux rôles en passant d'un état sélectif pour le potassium à un état perméable au sodium. Cela suggère un nouveau paradigme où, dans certaines conditions, un seul et même canal peut être suffisant pour favoriser ou défavoriser l'excitabilité cellulaire. Le projet de recherche a pour but d'explorer la signification physiologique de cette observation. Nous répondrons à une série de questions: Où et quand cette sélectivité dynamique joue un rôle ? Quelles fonctions physiologiques sont affectées ? Est ce qu'ils existent des maladies associées à un dysfonctionnement de TWIK1 ? Quels changements structuraux dans le canal expliquent cette sélectivité variable ? Finalement, nous avons identifié d'autres canaux susceptibles d'avoir une sélectivité variable, tant chez l'homme, que chez la souris ou le nématode C. elegans. Si nous montrons que ces canaux ont bien une sélectivité dynamique, cela prouvera que cette propriété est apparue tôt dans l'évolution et n'est pas une unique à TWIK1.Ce projet collaboratif est développé par trois équipes fondatrices du Laboratoire d'Excellence Ion Channel Science and Therapeutics (LabEx ICST). Dans ce cadre, il ne s'agit pas uniquement de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui contrôlent l'excitabilité cellulaire mais également d'identifier des cibles innovantes pour le développement de futurs médicaments. L'un des buts de ce projet est donc d'étudier la sélectivité dynamique dans une perspective thérapeutique.
Résultats : Dans le cadre de ce projet mous avons montré que l’inactivation du canal TWIK1 provoque une malformation cardiaque et des arythmies chez le poisson zèbre. Une fonction normale est restaurée en exprimant le canal humain dans ce tissu. Cela démontre que le canal TWIK1 est impliqué dans la fonction cardiaque et que le poisson est un bon modèle d’étude (ce qui n’est pas le cas de la souris qui à la différence de l’humain et du poisson zèbre n’exprime pas TWIK1 dans le coeur). Un article est sous presse dans Journal of Molecular and Cellular Cardiology.  Nous avons construit différents canaux TWIK1 sensibles à la lumière afin de pouvoir étudier le courant TWIK1. Ces canaux nous permettront notamment d’étudier les mécanismes qui contrôlent les modifications de sélectivité. Nous avons également démontré que TWIK1 ne s’associe pas aux canaux TREK1 contrairement à ce qui a été suggéré dans un article récent dans Cell, l’interaction se limitant aux membres de la même sous-famille de canaux TREK1, TREK2 et TRAAK. Deux articles ont été publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States.
Perspectives : La perspective finale est d’améliorer notre connaissance des mécanismes qui régulent l’excitabilité cellulaire. Les applications sont nombreuses, notamment l’identification de nouvelles cibles pour le développement d’agents thérapeutiques, d’intérêt pour traiter des pathologies comme l’épilepsie, les arythmies cardiaques, le diabète, le cancer…
Publications et brevets : Trois articles originaux ont été publiés (Un dans Journal of Molecular and Cellular Cardiology, deux dans les Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Sates)