Évaluation du rôle de nouvelles isoformes de PDE dans la compartimentation des nucléotides cycliques dans les cellules musculaires lisses vasculaires et les cardiomyocytes

Evaluation of the role of new PDE isoforms in cyclic nucleotide compartmentation in vascular smooth muscle cells and cardiomyocytes

• Auteur / Autrice : Liang Zhang
• Direction : Rodolphe Fischmeister, Véronique Leblais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie, physiopathologie
• Date : Soutenance le 28/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signalisation et physiopathologie cardiovasculaire (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Imad Kansau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodolphe Fischmeister, Véronique Leblais, Imad Kansau, Catherine Pavoine, Claire Lugnier, Pierre Vincent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Pavoine, Claire Lugnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myocytes du muscle lisse

Cardiomyocytes

Phosphodiestérases des nucléotides cycliques

Nucléotides cycliques

Mots clés libres

AMPc

GMPc

Phosphodiestérase

Cellule musculaire lisse vasculaire

Myocyte cardiaque

Camp

Cgmp

Phosphodiesterase

Vascular smooth muscle cell

Cardiac myocyte

Résumé

Les deux nucléotides cycliques, AMPc et GMPc, sont des seconds messagers importants qui régulent une grande variété de fonctions cellulaires, en particulier la fonction contractile cardiovasculaire, la croissance des cardiomyocytaires et la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires. Les phosphodiestérases (PDE) dégradent les nucléotides cycliques et exercent un contrôle local de leur concentration intracellulaire. Une altération de la voie de signalisation des nucléotides cycliques est impliquée dans plusieurs situations pathologiques telles que l’hypertension artérielle systémique ou pulmonaire, l’athérosclérose et l'hypertrophie cardiaque. Ainsi, les PDE constituent de puissantes cibles thérapeutiques pour restaurer un contrôle correct des nucléotides cycliques. Onze familles de PDEs sont actuellement décrites, les PDE1-6 étant les plus étudiées et les PDE 7-11 représentant de nouvelles familles.L'objectif de cette thèse était d'étudier le rôle respectif de 4 familles de PDEs, la PDE1, famille stimulée par le complexe Ca2+/calmoduline, les PDE5 et PDE9 spécifiques du GMPc, et la PDE8 spécifique de l'AMPc, dans le contrôle des concentrations intracellulaires d'AMPc ([AMPc]i) et de GMPc ([GMPc]i) dans les cellules musculaires lisses aortiques de rat (CMLARs) et les myocytes cardiaques de rat en utilisant une approche pharmacologique facilitée par le développement de nouveaux inhibiteurs sélectifs de PDEs. Les activités d'hydrolyse d’AMPc et de GMPc ont été mesurées par dosage enzymatique, tandis que les [AMPc]i et [GMPc]i ont été suivies sur cellules isolées, in situ, en temps réel, grâce à l'utilisation de l'imagerie FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Dans les CMLARs en culture, une activité d'hydrolyse des nucléotides cycliques via les PDE1, PDE5 et PDE9 a été observée. Nous avons montré un rôle fonctionnel de la PDE1 non stimulée dans le contrôle de l’augmentation de la [GMPc]i induite par le peptide natriurétique de type C (CNP). Il est intéressant de noter que, lors de l’élévation de la concentration intracellulaire en Ca2+, la PDE1 exerce également un contrôle de la réponse GMPci induite par le monoxyde d’azote (NO) et de la réponse AMPc médiée par la stimulation des récepteurs β-adrénergiques (β-AR). La PDE5 exerce un rôle majeur dans la réponse GMPc provoquée par l'activation de la guanylyl cyclase (GC) soluble par le NO ou des GC membranaires par les peptides natriurétiques, CNP et ANP. En revanche, la PDE9 ne régule que la réponse GMPc induite par le NO dans les RASMC cultivées. Aucune activité ou fonction hydrolytique de l'AMPc n'a été révélée avec l'inhibiteur de la PDE8 dans les CMLARs ou les cardiomyocytes de rat. Dans ces cellules cardiaques, l'activité d'hydrolyse médiée par la PDE1 n'a été détectée que sur la réponse GMPc et uniquement en présence de Ca2 +/Calmoduline. L'inhibiteur de la PDE1 n'a que légèrement affecté la réponse AMPc médiée par les récepteurs β-AR, par augmentation du pic du signal FRET.En conclusion, notre travail démontre que dans les cellules musculaires lisses vasculaires, les PDE1, PDE5 et PDE9 exercent une régulation spécifique et locale des [AMPc]i et [GMPc]i, renforçant le rôle clé des PDEs dans la compartimentation subcellulaire de la signalisation des nucléotides cycliques.

The two cyclic nucleotides cAMP and cGMP are important second messengers that regulate a large variety of cellular functions, in particular cardiovascular contractile function, cardiomyocyte cell growth and vascular smooth muscle cell proliferation. Phosphodiesterases (PDEs) degrade cyclic nucleotides, and exert a fine local control of their intracellular concentration. Alteration of cyclic nucleotides signaling pathway is involved in several pathological situations such as systemic and pulmonary arterial hypertensions, atherosclerotic lesions and cardiac hypertrophy. Thus, PDEs constitute potent therapeutic targets to restore a right cyclic nucleotide function. Eleven families of PDEs are now described, PDE1-6 being the most studied and PDE 7-11 representing the new families.The aim of the present thesis was to investigate the respective role of 4 PDE families, the Ca2+/calmodulin-stimulated PDE1, the cGMP-specific PDE5 and PDE9, and the cAMP-specific PDE8, in controlling intracellular cAMP ([cAMP]i) and intracellular cGMP ([cGMP]i) concentrations in both rat aortic smooth muscle cells (RASMCs) and cardiac myocytes by using a pharmacological approach taken advantage of the development of new selective PDE inhibitors. Cyclic AMP- and cGMP-hydrolyzing activities were measured by enzymatic assay on cell lysate, whereas real-time [cAMP]i and [cGMP]i were followed in situ in isolated cells using Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) imaging. In cultured RASMCs, PDE1, PDE5 and PDE9 hydrolyzing activities were observed. We showed a functional role of basal PDE1 in controlling [cGMP]i increased by the C-type Natriuretic Peptide (CNP). Interestingly, upon high intracellular Ca2+ concentration, PDE1 also regulated the Nitric Oxide (NO)-mediated [cGMP]i response and the β-adrenoceptor (β-AR)-mediated [cAMP]i response. PDE5 exerted a major role in degrading [cGMP]i produced by the activation of either the soluble guanylyl cyclase (GC) elicited by NO or the particulate GCs by the natriuretic peptides, CNP and ANP. By contrast, PDE9 only regulated NO-induced [cGMP]i increase in cultured RASMCs. No cAMP-hydrolyzing activity or function was revealed with the PDE8 inhibitor in RASMCs or cardiac myocytes. In rat cardiomyocytes, PDE1-mediated hydrolyzing activity was only detected on cGMP in the presence of Ca2+/calmodulin. Unexpectedly, PDE1 inhibition slightly affected the β-AR-mediated [cAMP]i response by increasing the peak of FRET signal.In conclusion, our work underscores the distinct role of PDE1, PDE5, and PDE9 in locally regulating the [cAMP]i and [cGMP]i, in vascular smooth muscle cells, strengthening the concept of PDEs as key actors of cyclic nucleotide subcellular compartmentation.