Groupe 4 : KCNK3, NMDA et les voies de signalisation des canaux ioniques

Fabrice Antigny et Sylvia Cohen-Kaminsky

Liste complète des publications : 

La physiopathologie de l’HTAP implique le remodelage des artères pulmonaires et du cœur droit. Les fonctions des cellules vasculaires pulmonaires et des cellules ventriculaires cardiaques droites sont régulées par  de nombreux canaux ioniques. Nous étudions différentes familles multigéniques de canaux ioniques (K+, Ca2+et Cl),leurs mécanismes de régulation et leurs fonctions au niveau vasculaire pulmonaire et cardiaque,  afin de comprendre leur implication dans la physiopathologie de l’HTAP, et d’explorer leur potentiel en tant que nouvelles cibles thérapeutiques pour le traitement de l’HTAP.

 

Réalisations du groupe

La génétique pourrait expliquer en partie les phénotypes anormaux des cellules vasculaires pulmonaires dans les formes héritables et non héritables de l’HTAP. Récemment des mutations dans des gènes codants pour différents canaux ioniques ont été identifiées dans différentes cohortes de patients atteints d’HTAP, comme par exemple les gènesKCNK3, ABCC8, ATP13A3, CRACRA2. De plus, il a été montré que des polymorphismes du gène KCNA5(Kv1.5, Voltage-gated K+channels) et du gène TRPC6(Transient Recepteur Potential Canonical 6, canal cationique) prédisposent au développement de l’HTAP. A ce jour, 10 mutations du gène KCNK3(Potassium Channel, Subfamily K, membre 3) ont été identifiées chez les patients HTAP. Le gène KCNK3code pour un canal potassique également appelé TASK-1 (TWIK-Related Acid-Sensitive K+Channel 1). Des expériences de patch-clamp montrent une perte de fonction du canal pour chacune des mutations identifiées.

En 2018, 12 mutations dans le gène ABCC8(ATP-binding cassette transporter sub-family C member 8) ont été identifiées dans plusieurs cohortes de patients atteints d’HTAP. La protéine codée par ce gène est un membre de la superfamille des transporteurs ABC (ATP-binding cassette), également connue sous le nom SUR1 (Sulfonylurea Receptor 1), qui est une sous-unité régulatrice des canaux K+-dépendant de l’ATP (KATP), comme notamment les canaux Kir6.2 et Kir6.1. Les différentes mutations identifiées induisent pour une majorité d’entre elles une perte de fonction du canal SUR1/Kir6.2. Nous avons entrepris d’étudier le rôle de la protéine SUR1 dans la circulation pulmonaire et l’implication de ce canal dans la pathogenèse de l’HTAP.

Les canaux calciques dépendants du voltage sont responsables des courants ICaL et ICaT, principale source de calcium (Ca2+) pour les cellules excitables. Notre groupe a montré que la signalisation calcique générée par ICaT est altérée dans les cellules musculaires lisses d’artères pulmonaires (CML-AP) de patients atteints d’HTAP et contribue au phénotype « hyper-prolifération/résistance à l’apoptose » de ces cellules (Sankhe S et al, Biochim Biophys Acta, 2017).

Avec le soutien de l’ANR NUTS (https://anr.fr/Projet-ANR-14-CE16-0016) et du LabEx LERMIT (http://www.labex-lermit.fr/en/25-projets/projet-target/t1/30%20-t1-2), notre groupe a récemment identifié le récepteur NMDA (N-methyl-D-aspartate receptor), un autre canal calcique régulé par le potentiel de membrane, comme  acteur majeur du remodelage vasculaire pulmonaire au cours de l’HTAP.  (Dumas S et al., Circulation 2018) Nous montrons que 1)Dans le contexte de l'HTAP humaine, le NMDAR et son ligand, le glutamate, sont dérégulés dans les artères pulmonaires. 2) Le NMDAR est activé (par phosphorylation) via l’endothéline-1 et le PDGF, deux voies principales dérégulées dans l’HTAP, et la prolifération des cellules vasculaires induite par le PDGF ou le VEGF est inhibée par des antagonistes du NMDAR. 3) Les souris déficientes pour nmdarau niveau des CML ou CE (cellules endothéliales) sont protégées contre l'hypertension pulmonaire, et  des antagonistes connus de NMDAR préviennent l'HTP. De façon inattendue, nous avons montré que le NMDAR est impliqué dans l’angiogenèse (https://www.theses.fr/191147184, thèse de Sébastien Dumas), qui est dérégulée dans l’HTAP. 4) Enfin l’expression de la sous-unité Glun2B des NMDARs est très diminuée chez les patients HTAP, et l'activation de GluN2B via la kinase Src pourrait conférer aux CML-AP des propriétés antiprolifératives et anti-migratoires. Les niveaux réduits de GluN2B que nous avons observés dans les artères pulmonaires des patients atteints d’HTAP pourraient être à l'origine de la prolifération excessive des CML-AP, contribuant ainsi à l'hyperplasie médiale et au développement de l’HTAP(Quatredeniers  et al., AJP lung 2019).

Ces travaux démontrent que l'activation de NMDAR au niveau vasculaire pulmonaire favorise le remodelage artériel et l'HTAP, et suggèrent que le ciblage du NMDAR pourrait être une nouvelle stratégie thérapeutique dans l'HTAP. Le projet est actuellement en phase de de maturation technologique à la SATT Paris-Saclay (projet NUTS-MAT,https://satt-paris-saclay.fr/vitrine-technologique/nuts-mat/), valorisé par 3 familles de  brevets (WO/2017/093354,WO/2017/017116,WO/2017/216159), et nous avons validé un candidat médicament, ciblant les NMDAR sans effets centraux (ne passant pas la BHE). Une start-up est en cours de création pour développer cette nouvelle approche thérapeutique. Nous continuons de déchiffrer les mécanismes liés à la voie NMDAR / glutamate dans l'HTAP, et à développer des outils thérapeutiques dirigés vers cette voie. Pour se faire nous développons un modèle de l’implication des NMDARs dans le contexte des voies connues de l’HTAP, par une approche de biologie des systèmes (http://www.theses.fr/s142375, Thèse de Marceau Quatredeniers), et nous avons contribué à construire un modèle moléculaire dynamique tout atome du NMDAR afin de concevoir de nouveaux antagonistes des NMDARs ciblant le canal ouvert (Palmai et al, PlosOne 2018).

Notre équipe a récemment proposé, qu’un axe poumon / intestin induisant une translocation de LPS de l’intestin vers les poumons pourraient contribuer au remodelage vasculaire pulmonaire de l’HTAP (Ranchoux B et al AJRCM 2017).Nous avons émis l'hypothèse selon laquelle, quels que soient les mécanismes conduisant à une dysbiose du microbiote pulmonaire (perturbation de l'homéostasie pulmonaire, translocation bactérienne, ou migration de bactéries oropharyngées), des changements dans la structure et la diversité du microbiote pulmonaire, pourraient avoir des effets directs sur le remodelage vasculaire pulmonaire conduisant à l'HTAP. Ainsi, nous explorons le microbiote pulmonaire en tant que nouvel acteur ayant un impact direct sur le remodelage vasculaire et la progression de l'HTAP, via ses métabolites et leurs actions potentielles sur les différents canaux ioniques des cellules vasculaires pulmonaires (ANR LUMI, 2019, https://anr.fr/Projet-ANR-18-CE14-0043).

D’autres canaux calciques activés de façon indépendante du potentiel membranaire pourraient contribuer à la pathogenèse de l’HTAP : les canaux Store-Operated Ca2+channels (SOC). Ils participent  à l’homéostasie calcique de nombreux types cellulaires. Les SOC sont composés de trois éléments essentiels: l'élément régulateur appartenant à la famille des molécules d'interaction stromal (STIM1-2) et deux éléments de canaux Ca2+à savoir les TRPC (Transient Receptor Potential Canonical 1-7) et les Orai (Orai1-3). Chez certains patients atteints d’HTAP, des polymorphismes gain de fonction ont été identifiés dans le gène TRPC6,et prédisposent au développement de l’HTAP. De plus, les souris déficientes pour trpc1/c6sont résistantes à l'induction des HTAP par l'hypoxie chronique. Notre groupe en collaboration avec le Dr. Jessica Sabourin (INSERM U1180) a récemment démontré l’implication des canaux TRPC1, TRPC4 et Orai1 dans le développement de l’hypertrophie cardiaque droite dans un modèle d’HTP chez le rat (Sabourin J et al., JMCC 2018).

Nous poursuivons le décryptage du rôle des SOC dans la régulation du déséquilibre prolifération / apoptose des CML-AP et CE-AP et dans la régulation du tonus artériel pulmonaire chez les patients atteints d’HTAP.

 

Pour répondre à ces questions, nous avons développé un ensemble d'outils uniques:

  • Animaux transgéniques : Rats déficients pour Kcnk3, Rats déficients pour Orai1dans les CML, Souris déficientes pour Nmdardans les CML ou Souris déficientes pour Nmdardans les CE.
  • Etudes in vitrosur des cellules isolées (CE pulmonaires, cellules musculaires lisses, fibroblastes pulmonaires) à partir de prélèvements de patients atteints d'HTAP et de patients contrôles sans maladie vasculaire pulmonaire : Imagerie calcique, Patch-clamp, Biologie moléculaire, Immunohistochimie
  • Etudein situ avec l’imagerie confocale et la microscopie électronique corrélative
  • Etudes ex vivo de la réactivité vasculaire sur artères ou veines pulmonaires isolées à partir de prélèvements de patients atteints d'HTAP et de patients contrôles sans maladie vasculaire pulmonaire et ou isolées de nos différents modèles animaux : myographe
  • Etudes in vivo de la fonction cardiaque par échocardiographie et cathétérisme cardiaque des modèles animaux d’HTP.

 

Publications récentes

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Bartoli F, Bailey MA, Rode B, Mateo P, Antigny F, Bedouet K, Gerbaud P, Gosain R, Plante J, Norman K, Gomez S, Lefebvre F, Rucker-Martin C, Ainscough JFX, Kearney MT, Bruns AF, Shi J, Appleby HL, Young RS, Shawer HM, Debant M, Gomez AM, Beech DJ, Foster R, Benitah JP, Sabourin J. Orai1 Channel Inhibition Preserves Left Ventricular Systolic Function and Normal Ca2+ Handling After Pressure Overload.Circulation. 2020 Jan 21;141(3):199-216.

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Lambert M, Capuano V, Boet A, Tesson L, Bertero T, Nakhleh MK, Remy S, Anegon I, Pechoux C, Hautefort A, Rucker-Martin C, Manoury B, Domergue V, Mercier O, Girerd B, Montani D, Perros F, Humbert M, Antigny F. Characterization of Kcnk3-Mutated Rat, a Novel Model of Pulmonary Hypertension.Circ Res. 2019 Sep 13;125(7):678-695.

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Antigny F, Hautefort A, Meloche J, Belacel-Ouari M, Manoury B, Rucker-Martin C, Péchoux C, Potus F, Nadeau V, Tremblay E, Ruffenach G, Bourgeois A, Dorfmüller P, Breuils-Bonnet S, Fadel E, Ranchoux B, Jourdon P, Girerd B, Montani D, Provencher S, Bonnet S, Simonneau G, Humbert M, Perros F. Potassium Channel Subfamily K Member 3 (KCNK3) Contributes to the Development of Pulmonary Arterial Hypertension.Circulation2016 Apr 5;133(14):1371-85.

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