Les cellules neuronales, qui sont les unités composant le système nerveux, peuvent « sentir » tous les changements du milieu qui se passe soit à l'interne ou aussi à l'externe de la cellule. Un neurone se sert d'un riche répertoire de « senseurs », ou récepteurs, pour percevoir tous ces changements. De plus ce qui est incroyable, c'est que chaqu'un de ces récepteurs est spécialisé à détecter un type de changement seulement. Par exemple, un neurone aura des récepteurs spécifiques pour détecter des changements du taux de CO2 dans le sang, d'autres pour détecter le niveau de sucre ou la quantité de neurotransmetteurs et d'autres, appelé ASICs, pour sentir des acidifications extracellulaires. Pourquoi les neurones ont ces ASICs pour sentir ces acidifications ? Pendant un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique, notre cerveau devient comme un citron. Des acidifications lentes s'établent et ces ASICs sont donc très sollicités sous ces conditions et peuvent causer la mort des neurones. Mais si bien contrôlé, une acidité peut aussi être bénéfique et agir comme un neurotransmetteur et donc promouvoir la communication neuronale via les ASICs. La majorité des scientifiques a étudié ces ASICs suite à des acidifications rapides. C'est donc indispensable de connaitre comment ces ASICs se comportent suite à des acidifications de nature plus lentes associés aux genres d'acidifications qu'on a dans nos cerveaux. J'ai donc d'abord établit un modèle informatique pour simuler le comportement de ces ASICs suite aux acidifications lentes. Par les expériences, j'ai confirmé les prédictions des simulations en observant que les neurones sont beaucoup plus sollicités lors des acidifications lentes plutôt que des acidifications rapides. De plus, lorsque les changements de pH étaient accompagnées de changements de milieu qui simulaient les conditions de milieu lors de fortes communications neuronales, ces acidifications lentes stimulaient encore plus les neurones. Le comportement des ASICs s'avéré être prédit par le modèle informatique, qui pourra donc constituer un outil pour prédire la réponse d'ASICs en conditions plus physiologiques. Dans un autre projet, plutôt pharmacologique, j'ai améliorée certains modulateurs d'ASICs en découvrant des composés plus puissants. J'ai découvert des composés qui bloquent la réponse d'ASICs. Ils pourront donc être bénéfiques pour réduire les conséquences d'un AVC. J'ai découvert aussi des composés particuliers qui potentialisent l'activité d'ASICs. Ils pourront alors promouvoir la communication neuronale et améliorer nos performances cognitives.
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L'acidité est généralement associée à la douleur, spécialement dans le système nerveux périphérique (SNP). Dans le système nerveux central (SNC), au contraire, elle peut promouvoir la communication neuronale. Les neurones ont plusieurs types de senseurs d'acidité, entre autres les « acid-sensing ion channels » (ASICs). Ils sont des canaux ioniques qui s'ouvrent de façon transitoire en réponse à une acidification extracellulaire pour permettre au sodium d'entrer dans le neurone et induire des potentiels d'actions. Le comportement des ASICs en réponse au pH peut être décrit avec trois états de conformation différents : l'état fermé, ouvert et désensibilisé. Les transitions cinétiques reliant ces trois états composent le modèle cinétique des ASICs, qui au début de ma thèse n'avait pas été établit. En utilisant des techniques d'électrophysiologie, j'ai décrit le modèle cinétique d'ASICla et -3, qui sont respectivement des sous-unités exprimé dans le SNC et SNP. Avec les données récoltées j'ai construit un modèle computationnel pour prédire la réponse d'ASIC au changement de pH et aux vitesses de ces changements. J'ai modelé et confirmé expérimentalement avec succès le comportement des ASICs suite à un changement rapide ou lent de pH, qui sont des événements pouvant se dérouler dans notre cerveau en condition normale ou lors d'une ischémie cérébrale, et au niveau du SNP pendant une inflammation. Il est attendu qu'une acidification rapide ouvre les ASICs, tandis qu'une acidification lente les désensibilise. Cependant, j'ai observé que, une acidification lente peut ouvrir les ASICs et générer des petits courants. J'ai modelé la réponse neuronale à ces petits courants et montré expérimentalement qu'elles peuvent engendrer plus de potentiels d'actions et accroitre l'excitabilité neuronale par rapport aux grands courants issus des acidifications rapides. Finalement j'ai montré que ASICla est nécessaire pour moduler l'excitation neuronale en réponse à des changements ioniques, outre que le pH, qui ont heu pendant une haute activité de transmission nerveuse. Le deuxième projet de ma thèse s'est basé sur la découverte d'une molécule appelé 2- guanidine-4-methylquinazoline (GMQ), qui pouvait moduler ASICla et -3. Malgré des propriétés intéressantes, GMQ ne montre qu'une faible spécificité et puissance. Nous avons alors instauré une collaboration avec un chimiste afin de faire un screening sur ASICla et -3 avec la technique d'électrophysiologie pour tester différents composés dérivant du GMQ. J'ai donc trouvé des toutes nouvelles molécules actives sur ASICla et -3, montrant une puissance plus élevée et une meilleure spécificité entre les deux sous-unités. J'ai finalement identifié la première molécule chimique qui a le pouvoir de potentialiser le courant d'ASICla. La potentialisation pharmacologique d'ASICla pourrait aboutir à des performances accrues de la communication neuronale et améliorer les fonctions cognitives.
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Acidity is often associated with pain, especially when we consider the peripheral nervous system (PNS). On the other hand, protons participate in neuronal communication in the central nervous system (CNS). Neurons have différent types of acid sensors. Among these sensors are the acid-sensing ion channels (ASICs). These channels open transiently in response to extracellular acidifications and allow sodium entering the cell. This entry of sodium causes depolarizations in neurons and eventually induces action potentials. The ASIC behavior in response to pH can be described by the transitions between three main conformational states of these channels: the closed, the open and the desensitized state. The gating transitions describe how the ASICs switch from one state to another as a fonction of the pH and time. The gating transitions connect the three conformational states and compose the so-called ASIC kinetic scheme, which at the beginning of my thesis was still poorly defined. Using patch-clamp electrophysiology I measured the transition rates of the kinetic scheme of ASIC la and -3 isoforms that are highly expressed in the CNS and PNS respectively. With the collected data I built a computational model that I used to predict the behavior of ASICs in response to any extent of pH changes and also to any speed by how these pH changes occur. I modeled and successfully confirmed by mean of experiments the ASIC behavior in response to rapid and slow acidification. Slow acidifications can occur in vivo in our brain under normal condition, during an ischemic stroke and neuronal inflammation. Rapid acidifications promote the opening of ASICs, while slow acidifications are thought to rather promote desensitization. However, I showed that a slow pH change can resuit in ASIC opening and generate small currents. I modeled the neuronal response to these small currents and showed then experimentally that they can induce higher neuronal excitation than the higher currents of rapid acidifications. Finally, I showed that ASIC la is necessary to mediate neuronal excitation in response to ion changes, other than pH, normally occurring with high neurotransmission activity. The second project of my thesis was based on the discovery of a small molecule called 2-guanidine-4-methylquinazoline (GMQ) that has been identified to modulate ASIC la and ASIC3. Despite interesting properties on ASICs gating, GMQ présents low specificity and low potency. Therefore, in collaboration with a chemist, we started a screening of GMQ-derivatives by patch-clamp electrophysiology and identified new compounds active on ASIC la and -3 that show higher specificity among the two isoforms, and higher potency. I also identified the first known chemical that enhances ASIC la currents. The pharmacological ASIC la potentiation may enhance neuronal communication and improve cognitive function.