Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain  hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique. This thesis is about the structure/function relationship in Na+/glucose cotransporters (SGLTs). SGLTs are membrane proteins which use the Na+ transmembrane electrochemical gradient to accumulate their substrates within the cell. As an introduction, a short review of the current state of the field will be followed by a presentation of the different technics used in this work. This work can be divided in three main projects. In the first project, we investigated the structural basis of water permeation through SGLTs. By using molecular modeling technics, we have identified, in silico, a passive permeation pathway used by water to go through the cotransporter across the membrane. Using voltage-clamp volumetric measurement, we were able to corroborate these findings for hSGLT1 expressed in oocytes. A second project allowed elucidation of some of hSGLT1 structural characteristics through the use of dipicrylamine (DPA), a fluorescence acceptor whose repartition in the lipid membrane is voltage-dependant. Use of DPA concomitantly with voltage-clamp fluorescence and FRET (fluorescence resonance energy transfer) has clearly demonstrated the extracellular localisation of part of the 12-13 loop which was previously assumed to be intracellular. In addition, we have shown that hSGLT1 forms a dimeric structure where the subunits are linked by a disulfide bridge. A last project aimed at characterizing the steady-state and pre-steadystate currents of a member of the SGLT family named hSMIT2 (human Na/myo-inositol transporter 2). We showed that phlorizin is a poor inhibitor of pre-steady state currents following depolarisation, and the presence of a time, membrane potential and substrate dependent leak current. A simulated annealing algorithm was developed in order to allow objective determination of both the connectivity and the parameters associated with the optimal kinetic model.

Keyphrases: Biophysique, Protéines membranaires, Cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs), Famille structurelle de LeuT, Électrophysiologie, Spectroscopie de fluorescence, Modélisation moléculaire, Modélisation cinétique, Ovocytes de xénopes, Biophysics, Membrane proteins, Na+/glucose transporters (SGLTs), LeuT structural family, Electrophysiology, Fluorescence spectroscopy, Molecular modeling, Kinetic modeling, Xenopus laevis oocytes