Mécanobiologie moléculaire et intégrative des canaux ioniques

Molecular and integrative mechanobiology of ion channels

• Auteur / Autrice : Malika Arhatte
• Direction : Eric Honore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions Moléculaires et Cellulaires
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de pharmacologie moléculaire et cellulaire (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Tanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Tanti, Gervaise Loirand, Bruno Allard, Sylvie Coscoy, Jacques Barhanin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gervaise Loirand, Bruno Allard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanobiologie

Canaux ioniques

Calcium

Mots clés libres

Calcium

Canaux ioniques

Filamine A

Mécanobiologie

Piezo1

Polycystines

Calcium

Ion channels

Filamin A

Mechanobiolgy

Piezo1

Polycystins

Résumé

L'ouverture des canaux ioniques mécanosensibles (CMS) au niveau de la membrane plasmique des cellules est l’événement le plus précoce en réponse à une stimulation mécanique. La conversion de la force en un signal cellulaire électrique est causée par l'ouverture de différents types de CMS, notamment Piezo1/2 et les canaux K2P TREK-1/TREK-2/TRAAK. L'activation des CMS par la force est directe sans implication d'un second messager, provoquant une modification du potentiel membranaire et déclenchant secondairement des réponses biochimiques intracellulaires. La transduction mécano-électrique joue un rôle clé dans l'audition, l'équilibre, le toucher et la proprioception et est également impliquée dans la régulation autonome de la pression sanguine, de la respiration et de la miction. Ainsi, le dysfonctionnement des CMS est associé à diverses pathologies héréditaires et acquises. Des progrès significatifs ont récemment été réalisés dans l'identification de ces canaux, la résolution de leur structure et la compréhension des mécanismes d’ouverture des CMS. Outre l'activation prototypique par la tension membranaire, des mécanismes d’ouverture impliquant la courbure du canal et/ou des éléments du cytosquelette sont également mis en jeu. Dans les cellules de mammifères, deux types majeurs de CMS coexistent au niveau de la membrane plasmique : les canaux cationiques non sélectifs dépolarisants et les canaux sélectifs au K+ hyperpolarisants. Les CMS s'ouvrent en réponse à divers stimuli mécaniques, tels que l'étirement local de la membrane, la compression cellulaire, la contrainte de cisaillement, le gonflement des cellules, le déplacement du cil primaire, ainsi que la déformation du substrat.Au cours de ce travail de thèse, j’ai étudié le rôle physiologique de Piezo1/2 et TREK-1/TREK-2/TRAAK, ainsi que les mécanismes moléculaires de leur activation par la stimulation mécanique. Nos résultats indiquent une fonction majeure de Piezo1/2 et TREK-1/TREK-2/TRAAK dans la physiopathologie des artères, du rein et du tissu adipeux. Nos résultats révèlent également un nouveau mécanisme impliquant les polycystines PC1/PC2 et la protéine du cytosquelette filamine A (FlnA) comme régulateurs négatifs des CMS. De plus, nous avons identifié TMEM33 comme un nouveau partenaire de PC2 au niveau du réticulum endoplasmique, régulant l’homéostasie calcique intracellulaire et la mort cellulaire. Enfin, nous démontrons une interaction fonctionnelle entre Piezo1/2 et TREK-1/TREK-2 dans les fibroblastes au cours de la cicatrisation.L’ensemble de ces travaux apporte une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la mécanobiologie et les maladies associées. Nos résultats permettront d’envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur l’utilisation de la force et/ou de la modulation pharmacologique des CMS.

Opening of mechanosensitive ion channels (MSCs) at the plasma membrane of cells is the earliest event in response to mechanical stimulation. The conversion of force into an electrical signal is caused by the opening of different types of MSCs, including Piezo1/2 and K2P TREK-1/TREK-2/TRAAK channels. Force-induced activation of MSCs is direct without the involvement of a second messenger, causing a change in membrane potential and secondarily triggering biochemical intracellular responses. Mechano-electrical transduction plays a key role in hearing, balance, touch and proprioception and is also involved in the autonomous regulation of blood pressure, respiration and urination. Thus, MSCs dysfunction is associated with a variety of inherited and acquired diseases. Significant progress has recently been made in identifying these channels, resolving their structure and understanding the mechanisms of MSCs gating. In addition to the prototypical activation by membrane tension, other gating mechanisms involving channel curvature and/or cytoskeleton elements are involved. In mammalian cells, two major types of MSCs coexist at the plasma membrane: non-selective cationic depolarizing channels and K+-selective hyperpolarizing channels. MSCs open in response to a variety of mechanical stimuli, such as local membrane stretch, cell compression, shear stress, cell swelling, bending of the primary cilium, and substrate deformation.In this thesis work, I studied the physiological role of Piezo1/2 and TREK-1/TREK-2/TRAAK, as well as their gating mechanisms. Our results indicate a major role for Piezo1/2 and TREK-1/TREK-2/TRAAK in the pathophysiology of arteries, kidney and adipose tissue. Our results also reveal a novel mechanism involving polycystins PC1/PC2 and the cytoskeletal protein filamin A (FlnA) as negative regulators of MSCs. We identified TMEM33 as a novel interactor of PC2 at the endoplasmic reticulum, that regulates intracellular calcium homeostasis and influences cell death. Finally, we demonstrate a functional interaction between Piezo1/2 and TREK-1/TREK-2 of fibroblasts during wound healing.Overall, this work provides a better understanding of the molecular mechanisms involved in the mechanobiology and associated disease states. Our results will ultimately contribute to envisage new therapeutic strategies based on the use of force and/or pharmacological modulation of MSCs.