Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Alkaline mineral water lowers bone resorption even in calcium sufficiency: alkaline mineral water and bone metabolism.

BACKGROUND: Dietary acid charge enhances bone loss. Bicarbonate or alkali diet decreases bone resorption in humans. We compared the effect of an alkaline mineral water, rich in bicarbonate, with that of an acid one, rich in calcium only, on bone markers, in young women with a normal calcium intake. METHODS: This study compared water A (per litre: 520 mg Ca, 291 mg HCO(3)(-), 1160 mg SO(4)(-), Potential Renal Acid load (PRAL) +9.2 mEq) with water B (per litre: 547 mg Ca, 2172 mg HCO(3)(-), 9 mg SO(4)(-), PRAL -11.2 mEq). 30 female dieticians aged 26.3 yrs (SD 7.3) were randomized into two groups, followed an identical weighed, balanced diet (965 mg Ca) and drank 1.5 l/d of the assigned water. Changes in blood and urine electrolytes, C-telopeptides (CTX), urinary pH and bicarbonate, and serum PTH were measured after 2 and 4 weeks. RESULTS: The two groups were not different at baseline, and showed a similar increase in urinary calcium excretion. Urinary pH and bicarbonate excretion increased with water B, but not with water A. PTH (p=0.022) and S-CTX (p=0.023) decreased with water B but not with water A. CONCLUSION: In calcium sufficiency, the acid calcium-rich water had no effect on bone resorption, while the alkaline water rich in bicarbonate led to a significant decrease of PTH and of S-CTX.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Multi-analyte detection for biological fluids. Towards continous monitoring of glucose, ionized calcium and pH using a viscometric affinity biosensor.

We present a viscometric affinity biosensor that can potentially allow continuous multi-analyte monitoring in biological fluids like blood or plasma. The sensing principle is based on the detection of viscosity changes of a polymeric solution which has a selective affinity for the analyte of interest. The chemico-mechanical sensor incorporates an actuating piezoelectric diaphragm, a sensing piezoelectric diaphragm and a flow-resisting microchannel for viscosity detection. A free-standing Anodic Alumina Oxide (AAO) porous nano-membrane is used as selective interface. A glucose-sensitive sensor was fabricated and extensively assessed in buffer solution. The sensor reversibility, stability and sensitivity were excellent during at least 65 hours. Results showed also a good degree of stability for a long term measurement (25 days). The sensor behaviour was furthermore tested in fetal bovine serum (FBS). The obtained results for glucose sensing are very promising, indicating that the developed sensor is a candidate for continuous monitoring in biological fluids. Sensitive solutions for ionized calcium and pH are currently under development and should allow multi-analyte sensing in the near future.

The Munc13 proteins differentially regulate readily releasable pool dynamics and calcium-dependent recovery at a central synapse.

The Munc13 gene family encodes molecules located at the synaptic active zone that regulate the reliability of synapses to encode information over a wide range of frequencies in response to action potentials. In the CNS, proteins of the Munc13 family are critical in regulating neurotransmitter release and synaptic plasticity. Although Munc13-1 is essential for synaptic transmission, it is paradoxical that Munc13-2 and Munc13-3 are functionally dispensable at some synapses, although their loss in other synapses leads to increases in frequency-dependent facilitation. We addressed this issue at the calyx of Held synapse, a giant glutamatergic synapse that we found to express all these Munc13 isoforms. We studied their roles in the regulation of synaptic transmission and their impact on the reliability of information transfer. Through detailed electrophysiological analyses of Munc13-2, Munc13-3, and Munc13-2-3 knock-out and wild-type mice, we report that the combined loss of Munc13-2 and Munc13-3 led to an increase in the rate of calcium-dependent recovery and a change in kinetics of release of the readily releasable pool. Furthermore, viral-mediated overexpression of a dominant-negative form of Munc13-1 at the calyx demonstrated that these effects are Munc13-1 dependent. Quantitative immunohistochemistry using Munc13-fluorescent protein knock-in mice revealed that Munc13-1 is the most highly expressed Munc13 isoform at the calyx and the only one highly colocalized with Bassoon at the active zone. Based on these data, we conclude that Munc13-2 and Munc13-3 isoforms limit the ability of Munc13-1 to regulate calcium-dependent replenishment of readily releasable pool and slow pool to fast pool conversion in central synapses.

Lack of GDAP1 induces neuronal calcium and mitochondrial defects in a knockout mouse model of charcot-marie-tooth neuropathy.

Mutations in GDAP1, which encodes protein located in the mitochondrial outer membrane, cause axonal recessive (AR-CMT2), axonal dominant (CMT2K) and demyelinating recessive (CMT4A) forms of Charcot-Marie-Tooth (CMT) neuropathy. Loss of function recessive mutations in GDAP1 are associated with decreased mitochondrial fission activity, while dominant mutations result in impairment of mitochondrial fusion with increased production of reactive oxygen species and susceptibility to apoptotic stimuli. GDAP1 silencing in vitro reduces Ca2+ inflow through store-operated Ca2+ entry (SOCE) upon mobilization of endoplasmic reticulum (ER) Ca2+, likely in association with an abnormal distribution of the mitochondrial network. To investigate the functional consequences of lack of GDAP1 in vivo, we generated a Gdap1 knockout mouse. The affected animals presented abnormal motor behavior starting at the age of 3 months. Electrophysiological and biochemical studies confirmed the axonal nature of the neuropathy whereas histopathological studies over time showed progressive loss of motor neurons (MNs) in the anterior horn of the spinal cord and defects in neuromuscular junctions. Analyses of cultured embryonic MNs and adult dorsal root ganglia neurons from affected animals demonstrated large and defective mitochondria, changes in the ER cisternae, reduced acetylation of cytoskeletal α-tubulin and increased autophagy vesicles. Importantly, MNs showed reduced cytosolic calcium and SOCE response. The development and characterization of the GDAP1 neuropathy mice model thus revealed that some of the pathophysiological changes present in axonal recessive form of the GDAP1-related CMT might be the consequence of changes in the mitochondrial network biology and mitochondria-endoplasmic reticulum interaction leading to abnormalities in calcium homeostasis.

Fluid dynamics simulation of right ventricular outflow tract oversizing.

OBJECTIVES: Repair of the right ventricular outflow tract (RVOT) in paediatric cardiac surgery remains challenging due to the high reoperation rate. Intimal hyperplasia and consequent arteriosclerosis is one of the most important limitation factors for graft durability. Since local shear stress and pressure are predictive elements for intimal hyperplasia and wall degeneration, we sought to determine in an oversized 12-mm RVOT model, with computed fluid dynamics simulation, the local haemodynamical factors that may explain intimal hyperplasia. This was done with the aim of identifying the optimal degree of oversizing for a 12-mm native RVOT. METHODS: Twenty domestic pigs, with a weight of 24.6 ± 0.89 kg and a native RVOT diameter of 12 ± 1.7 mm, had valve conduits of 12, 16, 18 and 20 mm implanted. Pressure and flow were measured at 75, 100 and 125% of normal flow at RVOT at the pulmonary artery, pulmonary artery bifurcation and at the left and right pulmonary arteries. Three-dimensional computed fluid dynamics (CFD) simulation in all four geometries in all flow modalities was performed. Local shear stress and pressure conditions were investigated. RESULTS: Corresponding to 75, 100 and 125% of steady-state flow, three inlet velocity profiles were obtained, 0.2, 0.29 and 0.36 m/s, respectively. At inflow velocity profiles, low shear stress areas, ranged from 0 to 2 Pa, combined with high-pressure areas ranging from 11.5 to 12.1 mmHg that were found at distal anastomosis, at bifurcation and at the ostia of the left and right pulmonary arteries in all geometries. CONCLUSIONS: In all three oversized geometries, the local reparation of shear stress and pressure in the 16-mm model showed a similar local profile as in the native 12 mm RVOT. According to these findings, we suggest oversizing the natural 12-mm RVOT by not more than 4 mm. The elements responsible for wall degeneration and intimal hyperplasia remain very similar to the conditions present in native RVOT.

Furosemide stimulation of parathormone in humans: role of the calcium-sensing receptor and the renin-angiotensin system.

Interactions between sodium and calcium regulating systems are poorly characterized but clinically important. Parathyroid hormone (PTH) levels are increased shortly after furosemide treatment by an unknown mechanism, and this effect is blunted by the previous administration of a calcimimetic in animal studies. Here, we explored further the possible underlying mechanisms of this observation in a randomized crossover placebo-controlled study performed in 18 human males. Volunteers took either cinacalcet (60 mg) or placebo and received a 20 mg furosemide injection 3 h later. Plasma samples were collected at 15-min intervals and analyzed for intact PTH, calcium, sodium, potassium, magnesium, phosphate, plasma renin activity (PRA), and aldosterone up to 6 h after furosemide injection. Urinary electrolyte excretion was also monitored. Subjects under placebo presented a sharp increase in PTH levels after furosemide injection. In the presence of cinacalcet, PTH levels were suppressed and marginal increase of PTH was observed. No significant changes in electrolytes and urinary excretion were identified that could explain the furosemide-induced increase in PTH levels. PRA and aldosterone were stimulated by furosemide injection but were not affected by previous cinacalcet ingestion. Expression of NKCC1, but not NKCC2, was found in parathyroid tissue. In conclusion, our results indicate that furosemide acutely stimulates PTH secretion in the absence of any detectable electrolyte changes in healthy adults. A possible direct effect of furosemide on parathyroid gland needs further studies.