Study of a potassium channel involved in the pathological dehydration of red blood cells in patients with hereditary xerocytosis : study of the KCNN4 channel using molecular modeling approaches

Étude d'un canal potassique impliqué dans la déshydratation pathologique du globule rouge chez des patients atteints de xérocytose héréditaire : étude du canal KCNN4 par des approches de modélisation moléculaire

• Auteur / Autrice : Stéphane Jedele
• Direction : Catherine Etchebest
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 11/07/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioScience Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie intégrée du globule rouge (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Guizouarn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Di Meo, Patrick Fuchs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Baud, Mounir Tarek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Canaux potassiques

Développement des formes (biologie)

Stomatocytose héréditaire

Mots clés libres

KCNN4

Simulation de dynamique moléculaire

Xérocytose héréditaire

Trouble sanguin rare

Globule rouge

Canal potassique

KCNN4

Molecular dynamics simulation

Hereditary xerocytosis

Rare blood disorder

Red blood cell

Potassium channel

Résumé

KCNN4 (KCa3.1 ou canal Gardos) est un canal potassique (K+) exprimé dans différents types cellulaires et uniquement activé par le calcium (Ca2+) intracellulaire. Il joue un rôle central dans l'homéostasie du globule rouge (GR). In vivo, le canal est lié de manière constitutive à la calmoduline (CaM) qui active son ouverture après liaison du Ca2+ intracellulaire. En 2015, l'effet gardos de KCNN4 (efflux de K+ en réponse à la hausse du Ca2+ intracellulaire dans les GRs) a été identifié comme principale cause de déshydratation du GR chez les patients atteints de xérocytose héréditaire (XH), un trouble sanguin rare associée à une anémie sévère à modérée et la déshydratation des hématies. Depuis, une dizaine de mutations différentes sur KCNN4 ont été identifiées chez les familles de patients. Néanmoins, la diversité des profils patients, l'absence de déshydratation systématique du GR, des réponses différentes aux molécules pharmacologiques selon la mutation et la diversité de leurs localisations sur la protéine suggèrent qu'elles ont des effets complexes et difficiles à appréhender. Le détail des mécanismes moléculaires affectant l'activité de KCNN4 dans le cadre XH reste encore inconnu, ce qui limite la mise en place d'une stratégie thérapeutique ciblée. Dans ce contexte, nous avons utilisé des approches modélisation moléculaire pour étudier les propriétés mécanistiques du canal KCNN4 dans différents états conformationnels et contextes moléculaires et comprendre l'effet possible des différentes mutations pathogènes sur son activité. Les résultats présentés dans ce manuscrit, permettent aujourd'hui de recontextualiser pas moins de 5 des mutations pathogènes identifiées sur le canal à ce jour et de fournir une nouvelle base de connaissance du fonctionnement de KCNN4.

KCNN4 (KCa3.1 or Gardos channel) is a potassium (K+) channel expressed in various cell types and activated only by intracellular calcium (Ca2+). It plays a central role in red blood cell (RBC) homeostasis. In vivo, the channel is constitutively bound to calmodulin (CaM), which activates the channel opening after binding intracellular Ca2+. In 2015, the Gardos effect of KCNN4 (K+ efflux in response to increased intracellular Ca2+ in RBCs) was identified as the main cause of RBC dehydration in patients with hereditary xerocytosis (HX), a rare blood disorder associated with severe to moderate anemia and RBC dehydration. Since then, a dozen different mutations in KCNN4 have been identified in patient families. Nevertheless, the diversity of patient profiles, the absence of systematic RBC dehydration, different responses to pharmacological molecules depending on the mutation, and the diversity of their localization on the protein suggest that their effects are complex and difficult to understand. The details of the molecular mechanisms affecting KCNN4 activity in HX are still unknown, which limits the development of a targeted therapeutic strategy. In this context, we used molecular modeling approaches to study the mechanistic properties of the KCNN4 channel in different conformational states and molecular contexts in order to understand the possible effect of different pathological mutations on its activity. The results presented in this manuscript now recontextualize no less than 5 of the pathogenic mutations identified in the channel to date, and provide a new basis for understanding KCNN4 function.