Ion channel expression and the control of ventricular repolarization

Ventricular arrhythmia is the main leading cause of sudden cardiac death, which remains a major public health problem. To date, no available antiarrhythmic drug therapies have been proven mortality benefit. Abnormalities in cardiac repolarization are important contributors to the development of lethal ventricular arrhythmias. The basic ion-channel control mechanisms for ventricular repolarization are still poorly understood. This thesis addressed potential mechanisms responsible for ion channel regulation involved in three clinically relevant paradigms of ventricular repolarization control.I first characterized in detail the ionic currents controlling repolarization across the ventricular wall in female/male canine left ventricles. I found intrinsic sex-related differences in overall inward L-type calcium current (ICa,L) and transmural repolarizing K+ currents, including the slowly-activated delayed rectifier K+ current (IKs) and transient outward potassium current (Ito). Offsetting effects of larger female IKs and ICa,L explain similar male/female APDs in epicardium and endocardium. However, I found larger ICa,L with similar repolarizing K+ currents between female and male in the midmyocardium, which may account for the observed longer female action potential duration (APD) in this specific cell-type. The reduced repolarization reserve in the female midmyocardium explains the female sensitivity to QT-prolonging drugs and Torsades de pointes (TdP).Chronic tachycardia produces ventricular electrical remodeling, heart failure (HF) and susceptibility to cardiac arrhythmia. I assessed the hypothesis that increased heart rate per se regulates ion channel expression. I found that the Ito and its subunit Kv4.3 are directly regulated by increased electrical firing rate. I established the signaling pathways transducing changes in cardiac firing rate into downregulation of Kv4.3 transcription. I determined that Ca2+/calmodulin-dependent CaMKII and calcineurin/NFAT systems play key Ca2+-sensing and signal-transducing roles in rate-dependent Ito control, identifying molecular mechanisms contributing to cardiac excitation-transcription coupling.I identified a novel mechanism potentially governing repolarization reserve, feedback regulation of ion channel expression. Traditionally, cardiac repolarization reserve refers to functionally-based compensatory increases in repolarizing currents, usually IKs, that minimize changes in APD caused by dysfunction or inhibition of a single K+-current. I found that chronic action potential prolongation, induced by inhibiting the rapidly-activated delayed rectifier K+ current (IKr), increases repolarization reserve through compensatory upregulation of IKs and the protein levels of its molecular components KvLQT1 and minK. The feedback regulation of KvLQT1 expression is partly mediated by downregulating the inhibitory microRNA (miRNA) miR-133. Impairment of this feedback system could contribute to the occurrence of cardiac arrhythmias in repolarization dysfunction paradigms like congenital and acquired long-QT syndromes.In conclusion, my findings in this thesis highlight the delicate and complex control of ventricular repolarization through homeostatic regulation of underlying ion-channel function and expression under physiological and pathophysiological conditions.L'arythmie ventriculaire est la principale cause principale de mort subite d'origine cardiaque et demeure un problème de santé majeur. À date, aucun traitement médicamenteux antiarythmique a démontré utile dans la prévention de la mort subite. Les anomalies de la répolarisation cardiaque contribuent d'une façon importante à l'apparition d'arythmies ventriculaires létales. Les mécanismes impliqués dans la régulation des canaux ioniques qui contrôlent la répolarisation ventriculaire sont encore mal compris. L'objectif central de cette thèse était de déterminer les mécanismes responsables de la régulation des canaux ioniques dans trois paradigmes cliniquement significative du contrôle de la repolarisation ventriculaire. frNous avons d'abord caractérisé en détail les courants ioniques en relation avec la répolarisation à travers la paroi ventriculaire chez les ventricules gauches canins selon le sexe. Nous avons noté des différences selon le sexe des animaux dans les courants calciques de type L (ICaL) et l'ensemble des courants potassiques, incluant le « slow delayed rectifier » IKs et le courant transitoire sortant Ito. L'augmentation parallèle de IKs et ICa chez les femmes aux niveaux sous épicardique et endocardique n'a pas amené à un changement dans la répolarisation. Par contre, au niveau du milieu du myocarde, le ICaL a été augmenté chez les femmes sans changement dans les courants potassiques, ce qui a provoqué une augmentation dans la durée du potentiel d'action (DPA). Le réduction du « repolarization reserve » à ce niveau peut expliquer la sensibilités des femmes aux molécules qui prolongent le DPA et leur prédilection pour les TdPs.La tachycardie chronique produit un remodelage électrique cardiaque, une insuffisance cardiaque et une susceptibilité à l'arythmie cardiaque. Nous avons évalué l'hypothèse qu'une augmentation de la fréquence cardiaque peut, en soi, affecter l'expression des canaux ioniques. Nous avons constaté que l'expression de l'Ito et de sa sous unité sous jacente Kv4.3 sont supprimé une augmentation dans la fréquence d'activation des cellules cardiaques. Nous avons également établi les voies de signalisation sous jacentes, qui impliquent le CaMKII Ca2+/calmoduline-dépendent et le système calcineurine/NFAT, qui ressentient le taux cellulaire de Ca2+ et ajustent l'expression de Kv4.3 en conséquence. Il s'agit d'une découverte des mécanismes moléculaires qui contribuent au couplage entre l'excitation cardiaque et la transcription génique. frNous avons identifié un nouveau mécanisme qui la réserve de la répolarisation (« repolarization reserve »), médié par la régulation de l'expression des canaux ioniques. Traditionnellement, la réserve de la répolarisation cardiaque fait référence à des augmentations fonctionnelles compensatoires dans les courants répolarisants, en particulier IKs, qui minimisent les changements dans la DPA causés par un dysfonctionnement d'un simple courant potassique. Nous avons alors constaté que la prolongation chronique de la DPA induite par l'inhibition du courant « rapid delayed rectifier » IKr de la réserve rapidement activé redresseur retardé courant K+ (IKr), entraine une augmentation de la réserve de la répolarisation par une augmentation dans l'expression de l'IKs qui est réalisé par une augmentation de l'expression des taux de protéines de ses composants moléculaires KVLQT1 et minK. Cette régulation semble produit par une diminution dans l'expression d'une petite molécule ARN inhibitrice, le micro-ARN (miRNA) miR-133. Une déficience de ce système de contrôle peut contribuer à la survenue d'arythmies cardiaques chez les patients atteints d'une dysfonction de répolarisation. frEn conclusion, nos résultats dans cette thèse soulignent le contrôle délicat et complexe de la répolarisation ventriculaire par la régulation homéostatique du fonctionnement des canaux ioniques dans les conditions physiologiques et physiopathologiques. f