Role of the interaction between PIEZO1 and KCNN4 in Erythrocyte Pathophysiology
Rôle de l'interaction entre PIEZO1 et KCNN4 dans la pathophysiologie érythrocytaire
Résumé
The red blood cell (RBC) is the most abundant cell in the human body and is responsible for oxygen et carbon dioxide transport while it is lacking nucleus and organelles. During its 120-day lifespan, the RBC undergoes over 200,000 passages through the circulation, subjecting it to intense physical, osmotic, and oxidative stresses. Any dysfunction in front of these stresses can weaken the RBC and shorten its lifespan, as seen in Hereditary Xerocytosis (HX), a rare autosomal dominant hemolytic anemia affecting 1 in 50,000 individuals. HX is caused by genetic gain-of-function mutations in two ion channels: PIEZO1 or KCNN4, which are functionally coupled. PIEZO1 is a non-selective cationic mechanosensitive channel discovered in 2010 leading to the Nobel Prize in Physiology and Medicine in 2021. KCNN4 is a calcium-sensitive potassium channel, responsible for the "Gardos" effect described in the 1950s. Functionally, activation of PIEZO1 allows calcium entry into the RBC, subsequently activating KCNN4, which opens and allows K+ efflux. This K+ efflux is accompanied by Cl- and osmotically linked water. It is proposed that HX is caused by the overactivation of either PIEZO1 or KCNN4, due to gain-of-function mutations, leading to an uncompensated loss of KCl and water because RBC are lacking volume regulation mechanism. Surprisingly concerning KCNN4, which is the final effector of dehydration, we do not observe any water loss of patient's RBC for most of the gain of function mutations. However, we measured dehydration with most of PIEZO1 mutations. This paradox reflects the high phenotypic heterogeneity of HX, making diagnosis lengthy and challenging. Often, the diagnosis relies on the need to characterize mutations in the laboratory to confirm or refute their pathogenicity. My thesis work contributes to this context by correlating changes in PIEZO1/KCNN4 functioning and Erythrocyte phenotype from patients with hemolytic anemias. In collaboration with clinicians, we characterized numerous novel mutations on PIEZO1 or KCNN4 in suspected HX cases. Our results confirmed the significant disparity in phenotype observed between PIEZO1 and KCNN4 mutations. The combined analysis tools we used were essential for the rapid description of mutations' phenotype for diagnostic purposes. In a more fundamental context, our results helped to understand more precisely the functional coupling between PIEZO1 and KCNN4. We discovered a new mechanism of KCNN4 regulation by the ATP-dependent calcium pump, PMCA. This mechanism allows an uncoupling between Ca2+ influx in the RBC and the activation of the KCNN4 and therefore dehydration. This is a major discovery in the control of RBC water homeostasis and a lead for the treatment of XH.
Le globule rouge (GR) est la cellule la plus abondante du corps humain et assure le transport d'O2 et de CO2 tout en étant dépourvue de noyau et d'organelles. Durant ses 120 jours de vie le GR effectue plus de 200 000 passages dans la circulation, lors desquels il est soumis à d'intenses stress physiques, osmotiques et oxydatifs. La moindre défaillance face à ces stress peut le fragiliser et raccourcir son espérance de vie comme c'est le cas dans la Xérocytose Héréditaire (XH). La XH est une anémie hémolytique autosomique dominante qui touche 1/50 000 personnes. Elle est due à une altération de la perméabilité ionique et hydrique du GR, entraînant une hémolyse précoce par déshydratation. Cette maladie est causée génétiquement par des mutations gain de fonction sur deux canaux ioniques : PIEZO1 ou KCNN4, qui sont couplés fonctionnellement. PIEZO1 est un canal mécano-sensible cationique non sélectif découvert en 2010 qui est à l'origine du prix Nobel de médecine et physiologie en 2021. KCNN4 est un canal potassique sensible au calcium, responsable de l'effet « Gardos » découvert dans les années 1950. Fonctionnellement, l'activation de PIEZO1 induit une entrée de calcium dans le GR qui stimule KCNN4 dont l'ouverture permet au K+ de sortir. Cette sortie de K+ est accompagnée de Cl- et d'eau osmotiquement liée. Il est donc proposé que la XH résulte d'une suractivation de PIEZO1 ou KCNN4 due aux mutations gain de fonction qui provoque une perte de KCl et d'eau ne pouvant pas être compensées car le GR humain est dépourvu de mécanisme de régulation de volume. Néanmoins, nous avons observé que la plupart des mutations gain de fonction sur KCNN4, qui est l'effecteur final de la déshydratation, ne sont pas associées à une déshydratation des GR contrairement aux mutations sur PIEZO1. C'est un paradoxe qui traduit la forte hétérogénéité phénotypique de la XH rendant le diagnostic long et difficile. Ce dernier repose bien souvent sur la nécessité de caractériser les mutations en laboratoire permettant de confirmer ou d'infirmer la pathogénicité d'une mutation. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte et visent à corréler le changement de fonctionnement des canaux PIEZO1 et KCNN4 induit par les mutations et le phénotype érythrocytaire des patients atteints d'anémie hémolytique héréditaire. En collaboration avec des cliniciens nous avons caractérisé de nombreuses nouvelles mutations portées par PIEZO1 ou KCNN4 dans des suspicions de XH. Nos résultats confirment la grande disparité de phénotype observée entre les mutations sur PIEZO1 ou KCNN4. Les méthodes d'analyse mises au point se sont avérées indispensables pour caractériser le phénotype des mutations à des fins diagnostic. Dans un contexte plus fondamental mes travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent le couplage fonctionnel entre PIEZO1 et KCNN4. Nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme de régulation du canal KCNN4 par la pompe calcium ATP dépendante, PMCA. Ce mécanisme permet un découplage entre l'influx de Ca2+ dans le GR et l'activation du canal KCNN4 et donc la déshydratation. C'est une découverte majeure dans le contrôle de l'homéostasie hydrique des GR et une piste pour le traitement de la XH.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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