The epidthelial sodium channel ENaC and its regulators in the epidermal permeability barrier function

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC is well known to be involved in controlling whole body sodium homeostasis and lung liquid clearance. ENaC expression has also been detected in the skin of amphibians and mammals. Mice lacking ENaC expression lose rapidly weight associated with an epidermal barrier defect that develops following birth. This dehydration is accompanied with a highly abnormal lipid matrix composition and an impaired skin surface acidification. This strongly suggests a role of ENaC in the maturation of barrier function rather than in the prenatal generation of the barrier, and may be as such an important modulator for skin hydration. In parallel, gene targeting experiments of regulators of ENaC activity, membrane serine proteases, also termed channel activating proteases, like CAP1/Prss8 and matriptase/MT-SP1 by themselves have been shown to be crucial for the epidermal barrier function. In our review, we mainly focus on the role of ENaC and its regulators in the skin and discuss their importance in the epidermal permeability barrier function.

Mutations of the Serine Protease CAP1/Prss8 Lead to Reduced Embryonic Viability, Skin Defects, and Decreased ENaC Activity.

CAP1/Prss8 is a membrane-bound serine protease involved in the regulation of several different effectors, such as the epithelial sodium channel ENaC, the protease-activated receptor PAR2, the tight junction proteins, and the profilaggrin polypeptide. Recently, the V170D and the G54-P57 deletion mutations within the CAP1/Prss8 gene, identified in mouse frizzy (fr) and rat hairless (fr(CR)) animals, respectively, have been proposed to be responsible for their skin phenotypes. In the present study, we analyzed those mutations, revealing a change in the protein structure, a modification of the glycosylation state, and an overall reduction in the activation of ENaC of the two mutant proteins. In vivo analyses demonstrated that both fr and fr(CR) mutant animals present analogous reduction of embryonic viability, similar histologic aberrations at the level of the skin, and a significant decrease in the activity of ENaC in the distal colon compared with their control littermates. Hairless rats additionally had dehydration defects in skin and intestine and significant reduction in the body weight. In conclusion, we provided molecular and functional evidence that CAP1/Prss8 mutations are accountable for the defects in fr and fr(CR) animals, and we furthermore demonstrate a decreased function of the CAP1/Prss8 mutant proteins. Therefore, fr and fr(CR) animals are suitable models to investigate the consequences of CAP1/Prss8 action on its target proteins in the whole organism.

Ectopic expression of the serine protease inhibitor PI9 modulates death receptor-mediated apoptosis.

Apoptosis is a highly controlled process, whose triggering is associated with the activation of caspases. Apoptosis can be induced via a subgroup of the tumor necrosis factor (TNF) receptor superfamily, which recruit and activate pro-caspase-8 and -10. Regulation of apoptosis is achieved by several inhibitors, including c-FLICE-inhibitory protein, which prevents apoptosis by inhibiting the pro-apoptotic activation of upstream caspases. Here we show that the human intracellular serine protease inhibitor (serpin), protease inhibitor 9 (PI9), inhibits TNF-, TNF-related apoptosis-inducing ligand- and Fas ligand-mediated apoptosis in certain TNF-sensitive cell lines. The reactive center P1 residue of PI9 was required for this inhibition since PI9 harboring a Glu --> Ala mutation in its reactive center failed to impair death receptor-induced cell death. This suggests a classical serpin-protease interaction. Indeed, PI9 inhibited apoptotic death by directly interacting with the intermediate active forms of caspase-8 and -10. This indicates that PI9 can regulate pro-apoptotic apical caspases.

Role of the serine protease CAP1/Prss8 and its inhibitor in the skin

The skin is the largest organ of the human body and protects it from water loss and mechanical damage. This barrier function is mainly provided by the epidermis, the outermost layer of the skin. This balance is regulated by several factors, including serine proteases, serine protease inhibitors and protease target substrates, such as receptors. Any mutations or alterations in the expression of these factors can lead to skin diseases. One of the players in this skin balance is the serine protease CAP1/Prss8, whose over-expression causes ichthyosis, hyperplasia and inflammation. This phenotype can be completely restored in the absence of PAR2 (protease-activated receptor 2) (Frateschi et al., 2011). During my thesis, I demonstrated that CAP1/Prss8 induces skin disease even if its catalytic triad is mutated. Additionally, I demonstrated an inhibitory effect of the serine protease-inhibitor nexin-1 (also called serpinE2, PN-1) on CAP1/Prss8, since nexin-1 negated the effects of both catalytically active and inactive CAP1/Prss8 over-expression. Indeed, CAP1/Prss8 and nexin-1 interact in vitro, but independent of the catalytic triad of CAP1/Prss8. These results demonstrate a novel mechanism of interaction between CAP1/Prss8 and nexin-1, and indicate that the catalytic triad of CAP1/Prss8 is dispensable for nexin-1 inhibition and PAR2 activation. These observations in vivo and in vitro could be helpful to specifically target drugs to treat ichthyoses-like skin diseases, like e.g. atopic dermatitis. - La peau est l'un des organes les plus importants du corps humain au regard de sa surface et de sa masse. Ses principales fonctions sont de nous protéger contre l'entrée de pathogènes et de former une barrière imperméable qui empêche la déshydratation. Ces fonctions sont principalement assurées par l'épiderme, la couche la plus superficielle de la peau, et garanties par plusieurs "acteurs", comme par exemple les sérine-protéases, les inhibiteurs de sérine- protéases ou les protéases cibles comme les récepteurs. Toute mutation ou altération de l'un de ces "acteurs" peut aboutir au déclanchement de maladies de la peau. Pour mieux comprendre les conséquences biologiques résultant d'une altération d'expression de CAP1/Prss8, une serine-protéase normalement exprimée au niveau de l'épiderme, nous avons généré des souris transgéniques surexprimant CAP1/Prss8 au niveau de la peau. Ces dernières présentent une peau squameuse, un épiderme hypertrophique, des processus inflammatoires et des prurits conséquents. Ces symptômes disparaissent si le gène du récepteur PAR2, qui régule l'activité des cellules de l'épiderme, est inactivé. Dans le but de vérifier si le phénotype observé chez les souris CAP1/Prss8 résulte de l'action du site catalytique de CAP1/Prss8, nous avons généré des souris CAP1/Prss8 chez lesquelles nous avons muté les trois acides aminés du site catalytique en alanine. Etonnement ces souris ont développé les mêmes problèmes de peau que les souris CAP1/Prss8, démontrant que l'effet de CAP1/Prss8, dans ce modèle animal, n'est pas lié à son site catalytique. Nous avons également montré in vivo, que la sérine-protéase nexin-1 (aussi appelée SERPINE2, PN-1) est capable d'exercer un effet inhibiteur sur CAP1/Prss8 indépendamment de l'activité du site catalytique de CAP1/Prss8. De plus, nous avons remarqué in vitro que CAP1/Prss8 et nexin-1 interagissent bien que la triade catalytique de CAP1/Prss8 soit enzymatiquement inactivée. Ces observations, in vivo et in vitro, pourraient être utilisées dans l'élaboration de médicaments contenant nexin-1, pour le traitement de pathologies de la peau telles l'ichthyose et la dermatite atopique.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

The heterotetrameric architecture of the epithelial sodium channel (ENaC).

The epithelial sodium channel (ENaC) is a key element for the maintenance of sodium balance and the regulation of blood pressure. Three homologous ENaC subunits (alpha, beta and gamma) assemble to form a highly Na+-selective channel. However, the subunit stoichiometry of ENaC has not yet been solved. Quantitative analysis of cell surface expression of ENaC alpha, beta and gamma subunits shows that they assemble according to a fixed stoichiometry, with alpha ENaC as the most abundant subunit. Functional assays based on differential sensitivities to channel blockers elicited by mutations tagging each alpha, beta and gamma subunit are consistent with a four subunit stoichiometry composed of two alpha, one beta and one gamma. Expression of concatameric cDNA constructs made of different combinations of ENaC subunits confirmed the four subunit channel stoichiometry and showed that the arrangement of the subunits around the channel pore consists of two alpha subunits separated by beta and gamma subunits.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits α, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of αENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of αENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in αENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in αENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités α, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité αENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité α en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris αENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris αENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris αENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (α, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité αENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

Identification of amino acid residues in the alpha, beta, and gamma subunits of the epithelial sodium channel (ENaC) involved in amiloride block and ion permeation.

The amiloride-sensitive epithelial Na channel (ENaC) is a heteromultimeric channel made of three alpha beta gamma subunits. The structures involved in the ion permeation pathway have only been partially identified, and the respective contributions of each subunit in the formation of the conduction pore has not yet been established. Using a site-directed mutagenesis approach, we have identified in a short segment preceding the second membrane-spanning domain (the pre-M2 segment) amino acid residues involved in ion permeation and critical for channel block by amiloride. Cys substitutions of Gly residues in beta and gamma subunits at position beta G525 and gamma G537 increased the apparent inhibitory constant (Ki) for amiloride by > 1,000-fold and decreased channel unitary current without affecting ion selectivity. The corresponding mutation S583 to C in the alpha subunit increased amiloride Ki by 20-fold, without changing channel conducting properties. Coexpression of these mutated alpha beta gamma subunits resulted in a non-conducting channel expressed at the cell surface. Finally, these Cys substitutions increased channel affinity for block by external Zn2+ ions, in particular the alpha S583C mutant showing a Ki for Zn2+ of 29 microM. Mutations of residues alpha W582L, or beta G522D also increased amiloride Ki, the later mutation generating a Ca2+ blocking site located 15% within the membrane electric field. These experiments provide strong evidence that alpha beta gamma ENaCs are pore-forming subunits involved in ion permeation through the channel. The pre-M2 segment of alpha beta gamma subunits may form a pore loop structure at the extracellular face of the channel, where amiloride binds within the channel lumen. We propose that amiloride interacts with Na+ ions at an external Na+ binding site preventing ion permeation through the channel pore.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

Preferential assembly of epithelial sodium channel (ENaC) subunits in Xenopus oocytes: role of furin-mediated endogenous proteolysis.

The epithelial sodium channel (ENaC) is preferentially assembled into heteromeric alphabetagamma complexes. The alpha and gamma (not beta) subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous furin-like activity correlating with increased ENaC function. We identified full-length subunits and their fragments at the cell surface, as well as in the intracellular pool, for all homo- and heteromeric combinations (alpha, beta, gamma, alphabeta, alphagamma, betagamma, and alphabetagamma). We assayed corresponding channel function as amiloride-sensitive sodium transport (I(Na)). We varied furin-mediated proteolysis by mutating the P1 site in alpha and/or gamma subunit furin consensus cleavage sites (alpha(mut) and gamma(mut)). Our findings were as follows. (i) The beta subunit alone is not transported to the cell surface nor cleaved upon assembly with the alpha and/or gamma subunits. (ii) The alpha subunit alone (or in combination with beta and/or gamma) is efficiently transported to the cell surface; a surface-expressed 65-kDa alpha ENaC fragment is undetected in alpha(mut)betagamma, and I(Na) is decreased by 60%. (iii) The gamma subunit alone does not appear at the cell surface; gamma co-expressed with alpha reaches the surface but is not detectably cleaved; and gamma in alphabetagamma complexes appears mainly as a 76-kDa species in the surface pool. Although basal I(Na) of alphabetagamma(mut) was similar to alphabetagamma, gamma(mut) was not detectably cleaved at the cell surface. Thus, furin-mediated cleavage is not essential for participation of alpha and gamma in alphabetagamma heteromers. Basal I(Na) is reduced by preventing furin-mediated cleavage of the alpha, but not gamma, subunits. Residual current in the absence of furin-mediated proteolysis may be due to non-furin endogenous proteases.

The transmembrane serine protease (TMPRSS3) mutated in deafness DFNB8/10 activates the epithelial sodium channel (ENaC) in vitro.

TMPRSS3 encodes a transmembrane serine protease that contains both LDLRA and SRCR domains and is mutated in non-syndromic autosomal recessive deafness (DFNB8/10). To study its function, we cloned the mouse ortholog which maps to Mmu17, which is structurally similar to the human gene and encodes a polypeptide with 88% identity to the human protein. RT-PCR and RNA in situ hybridization on rat and mouse cochlea revealed that Tmprss3 is expressed in the spiral ganglion, the cells supporting the organ of Corti and the stria vascularis. RT-PCR on mouse tissues showed expression in the thymus, stomach, testis and E19 embryos. Transient expression of wild-type or tagged TMPRSS3 protein showed a primary localization in the endoplasmic reticulum. The epithelial amiloride-sensitive sodium channel (ENaC), which is expressed in many sodium-reabsorbing tissues including the inner ear and is regulated by membrane-bound channel activating serine proteases (CAPs), is a potential substrate of TMPRSS3. In the Xenopus oocyte expression system, proteolytic processing of TMPRSS3 was associated with increased ENaC mediated currents. In contrast, 6 TMPRSS3 mutants (D103G, R109W, C194F, W251C, P404L, C407R) causing deafness and a mutant in the catalytic triad of TMPRSS3 (S401A), failed to undergo proteolytic cleavage and activate ENaC. These data indicate that important signaling pathways in the inner ear are controlled by proteolytic cleavage and suggest: (i) the existence of an auto-catalytic processing by which TMPRSS3 would become active, and (ii) that ENaC could be a substrate of TMPRSS3 in the inner ear.

A single point mutation in the pore region of the epithelial Na+ channel changes ion selectivity by modifying molecular sieving.

The epithelial Na+ channel (ENaC) belongs to a new class of channel proteins called the ENaC/DEG superfamily involved in epithelial Na+ transport, mechanotransduction, and neurotransmission. The role of ENaC in Na+ homeostasis and in the control of blood pressure has been demonstrated recently by the identification of mutations in ENaC beta and gamma subunits causing hypertension. The function of ENaC in Na+ reabsorption depends critically on its ability to discriminate between Na+ and other ions like K+ or Ca2+. ENaC is virtually impermeant to K+ ions, and the molecular basis for its high ionic selectivity is largely unknown. We have identified a conserved Ser residue in the second transmembrane domain of the ENaC alpha subunit (alphaS589), which when mutated allows larger ions such as K+, Rb+, Cs+, and divalent cations to pass through the channel. The relative ion permeability of each of the alphaS589 mutants is related inversely to the ionic radius of the permeant ion, indicating that alphaS589 mutations increase the molecular cutoff of the channel by modifying the pore geometry at the selectivity filter. Proper geometry of the pore is required to tightly accommodate Na+ and Li+ ions and to exclude larger cations. We provide evidence that ENaC discriminates between cations mainly on the basis of their size and the energy of dehydration.

Mutational analysis of cysteine-rich domains of the epithelium sodium channel (ENaC). Identification of cysteines essential for channel expression at the cell surface.

One of the characteristic features of the structure of the epithelial sodium channel family (ENaC) is the presence of two highly conserved cysteine-rich domains (CRD1 and CRD2) in the large extracellular loops of the proteins. We have studied the role of CRDs in the functional expression of rat alphabetagamma ENaC subunits by systematically mutating cysteine residues (singly or in combinations) into either serine or alanine. In the Xenopus oocyte expression system, mutations of two cysteines in CRD1 of alpha, beta, or gamma ENaC subunits led to a temperature-dependent inactivation of the channel. In CRD1, one of the cysteines of the rat alphaENaC subunit (Cys158) is homologous to Cys133 of the corresponding human subunit causing, when mutated to tyrosine (C133Y), pseudohypoaldosteronism type 1, a severe salt-loosing syndrome in neonates. In CRD2, mutation of two cysteines in alpha and beta but not in the gamma subunit also produced a temperature-dependent inactivation of the channel. The main features of the mutant cysteine channels are: (i) a decrease in cell surface expression of channel molecules that parallels the decrease in channel activity and (ii) a normal assembly or rate of degradation as assessed by nondenaturing co-immunoprecipitation of [35S]methionine-labeled channel protein. These data indicate that the two cysteines in CRD1 and CRD2 are not a prerequisite for subunit assembly and/or intrinsic channel activity. We propose that they play an essential role in the efficient transport of assembled channels to the plasma membrane.

Permeability properties of ENaC selectivity filter mutants.

The epithelial Na(+) channel (ENaC), located in the apical membrane of tight epithelia, allows vectorial Na(+) absorption. The amiloride-sensitive ENaC is highly selective for Na(+) and Li(+) ions. There is growing evidence that the short stretch of amino acid residues (preM2) preceding the putative second transmembrane domain M2 forms the outer channel pore with the amiloride binding site and the narrow ion-selective region of the pore. We have shown previously that mutations of the alphaS589 residue in the preM2 segment change the ion selectivity, making the channel permeant to K(+) ions. To understand the molecular basis of this important change in ionic selectivity, we have substituted alphaS589 with amino acids of different sizes and physicochemical properties. Here, we show that the molecular cutoff of the channel pore for inorganic and organic cations increases with the size of the amino acid residue at position alpha589, indicating that alphaS589 mutations enlarge the pore at the selectivity filter. Mutants with an increased permeability to large cations show a decrease in the ENaC unitary conductance of small cations such as Na(+) and Li(+). These findings demonstrate the critical role of the pore size at the alphaS589 residue for the selectivity properties of ENaC. Our data are consistent with the main chain carbonyl oxygens of the alphaS589 residues lining the channel pore at the selectivity filter with their side chain pointing away from the pore lumen. We propose that the alphaS589 side chain is oriented toward the subunit-subunit interface and that substitution of alphaS589 by larger residues increases the pore diameter by adding extra volume at the subunit-subunit interface.

A mutation causing pseudohypoaldosteronism type 1 identifies a conserved glycine that is involved in the gating of the epithelial sodium channel.

Pseudohypoaldosteronism type 1 (PHA-1) is an inherited disease characterized by severe neonatal salt-wasting and caused by mutations in subunits of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC). A missense mutation (G37S) of the human ENaC beta subunit that causes loss of ENaC function and PHA-1 replaces a glycine that is conserved in the N-terminus of all members of the ENaC gene family. We now report an investigation of the mechanism of channel inactivation by this mutation. Homologous mutations, introduced into alpha, beta or gamma subunits, all significantly reduce macroscopic sodium channel currents recorded in Xenopus laevis oocytes. Quantitative determination of the number of channel molecules present at the cell surface showed no significant differences in surface expression of mutant compared with wild-type channels. Single channel conductances and ion selectivities of the mutant channels were identical to that of wild-type. These results suggest that the decrease in macroscopic Na currents is due to a decrease in channel open probability (P(o)), suggesting that mutations of a conserved glycine in the N-terminus of ENaC subunits change ENaC channel gating, which would explain the disease pathophysiology. Single channel recordings of channels containing the mutant alpha subunit (alphaG95S) directly demonstrate a striking reduction in P(o). We propose that this mutation favors a gating mode characterized by short-open and long-closed times. We suggest that determination of the gating mode of ENaC is a key regulator of channel activity.