Regulation of the intracellular distribution, cell surface expression, and protein levels of AMPA receptor GluR2 subunits by the monocarboxylate transporter MCT2 in neuronal cells.

The neuronal monocarboxylate transporter, MCT2, is not only an energy substrate carrier but it is also purported to be a binding partner for the alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptor GluR2 subunit. To unravel a putative role of MCT2 in the regulation of GluR2 subcellular distribution, Neuro2A cells and primary cultures of mouse cortical neurons were co-transfected with plasmids containing sequences to express the fluorescent proteins mStrawberry (mStb)-fused MCT2 and Venus-fused GluR2. Subsequently, their subcellular distribution was visualized by fluorescence microscopy. GluR2 was led to form perinuclear and dendritic clusters together with MCT2 when co-transfected in Neuro2A cells or in neurons, following the original distribution of MCT2. MCT2 co-transfection had no effect on the intracellular distribution of several other post-synaptic proteins, although it partially affected the intracellular distribution of GluR1 similarly to GluR2. Both cell surface and total protein expression levels of GluR2 were significantly reduced by co-expression with MCT2. Finally, partial perinuclear and dendritic co-localization between MCT2 and Rab8, a member of the small GTPase family involved in membrane trafficking of AMPA receptors, was also observed in co-transfected neurons. These results suggest that MCT2 could influence AMPA receptor trafficking within neurons by modulating GluR2 sorting between different subcellular compartments.

Ubiquitylation of voltage-gated sodium channels.

Ion channel proteins are regulated by different types of posttranslational modifications. The focus of this review is the regulation of voltage-gated sodium channels (Navs) upon their ubiquitylation. The amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) was the first ion channel shown to be regulated upon ubiquitylation. This modification results from the binding of ubiquitin ligase from the Nedd4 family to a protein-protein interaction domain, known as the PY motif, in the ENaC subunits. Many of the Navs have similar PY motifs, which have been demonstrated to be targets of Nedd4-dependent ubiquitylation, tagging them for internalization from the cell surface. The role of Nedd4-dependent regulation of the Nav membrane density in physiology and disease remains poorly understood. Two recent studies have provided evidence that Nedd4-2 is downregulated in dorsal root ganglion (DRG) neurons in both rat and mouse models of nerve injury-induced neuropathic pain. Using two different mouse models, one with a specific knockout of Nedd4-2 in sensory neurons and another where Nedd4-2 was overexpressed with the use of viral vectors, it was demonstrated that the neuropathy-linked neuronal hyperexcitability was the result of Nav1.7 and Nav1.8 overexpression due to Nedd4-2 downregulation. These studies provided the first in vivo evidence of the role of Nedd4-2-dependent regulation of Nav channels in a disease state. This ubiquitylation pathway may be involved in the development of symptoms and diseases linked to Nav-dependent hyperexcitability, such as pain, cardiac arrhythmias, epilepsy, migraine, and myotonias.

Steady-state brain glucose transport kinetics re-evaluated with a four-state conformational model.

Glucose supply from blood to brain occurs through facilitative transporter proteins. A near linear relation between brain and plasma glucose has been experimentally determined and described by a reversible model of enzyme kinetics. A conformational four-state exchange model accounting for trans-acceleration and asymmetry of the carrier was included in a recently developed multi-compartmental model of glucose transport. Based on this model, we demonstrate that brain glucose (G(brain)) as function of plasma glucose (G(plasma)) can be described by a single analytical equation namely comprising three kinetic compartments: blood, endothelial cells and brain. Transport was described by four parameters: apparent half saturation constant K(t), apparent maximum rate constant T(max), glucose consumption rate CMR(glc), and the iso-inhibition constant K(ii) that suggests G(brain) as inhibitor of the isomerisation of the unloaded carrier. Previous published data, where G(brain) was quantified as a function of plasma glucose by either biochemical methods or NMR spectroscopy, were used to determine the aforementioned kinetic parameters. Glucose transport was characterized by K(t) ranging from 1.5 to 3.5 mM, T(max)/CMR(glc) from 4.6 to 5.6, and K(ii) from 51 to 149 mM. It was noteworthy that K(t) was on the order of a few mM, as previously determined from the reversible model. The conformational four-state exchange model of glucose transport into the brain includes both efflux and transport inhibition by G(brain), predicting that G(brain) eventually approaches a maximum concentration. However, since K(ii) largely exceeds G(plasma), iso-inhibition is unlikely to be of substantial importance for plasma glucose below 25 mM. As a consequence, the reversible model can account for most experimental observations under euglycaemia and moderate cases of hypo- and hyperglycaemia.

Synthesis and transport of creatine in the CNS: importance for cerebral functions.

J. Neurochem. (2010) 10.1111/j.1471-4159.2010.06935.x Abstract Apart of its well known function of 'energetic buffer' through the creatine/phosphocreatine/creatine kinase system allowing the regeneration of ATP, creatine has been recently suggested as a potential neuromodulator of even true neurotransmitter. Moreover, the recent discovery of primary creatine deficiency syndromes, due to deficiencies in l-arginine : glycine amidinotransferase or guanidinoacetate methyltransferase (the two enzymes allowing creatine synthesis) or in the creatine transporter, has shed new light on creatine synthesis, metabolism and transport, in particular in CNS which appears as the main tissue affected by these creatine deficiencies. Recent data suggest that creatine can cross blood-brain barrier but only with a poor efficiency, and that the brain must ensure parts of its needs in creatine by its own endogenous synthesis. Finally, the recent years have demonstrated the interest to use creatine as a neuroprotective agent in a growing number of neurodegenerative diseases, including Parkinson's and Huntington's diseases. This article aims at reviewing the latest data on creatine metabolism and transport in the brain, in relation to creatine deficiencies and to the potential use of creatine as neuroprotective molecule. Emphasis is also given to the importance of creatine for cerebral function.

Passive lipoidal diffusion and carrier-mediated cell uptake are both important mechanisms of membrane permeation in drug disposition.

Recently, it has been proposed that drug permeation is essentially carrier-mediated only and that passive lipoidal diffusion is negligible. This opposes the prevailing hypothesis of drug permeation through biological membranes, which integrates the contribution of multiple permeation mechanisms, including both carrier-mediated and passive lipoidal diffusion, depending on the compound's properties, membrane properties, and solution properties. The prevailing hypothesis of drug permeation continues to be successful for application and prediction in drug development. Proponents of the carrier-mediated only concept argue against passive lipoidal diffusion. However, the arguments are not supported by broad pharmaceutics literature. The carrier-mediated only concept lacks substantial supporting evidence and successful applications in drug development.

Sorting mechanisms regulating membrane protein traffic in the apical transcytotic pathway of polarized MDCK cells.

The transcytotic pathway followed by the polymeric IgA receptor (pIgR) carrying its bound ligand (dIgA) from the basolateral to the apical surface of polarized MDCK cells has been mapped using morphological tracers. At 20 degreesC dIgA-pIgR internalize to interconnected groups of vacuoles and tubules that comprise the endosomal compartment and in which they codistribute with internalized transferrin receptors (TR) and epidermal growth factor receptors (EGFR). Upon transfer to 37 degreesC the endosome vacuoles develop long tubules that give rise to a distinctive population of 100-nm-diam cup-shaped vesicles containing pIgR. At the same time, the endosome gives rise to multivesicular endosomes (MVB) enriched in EGFR and to 60-nm-diam basolateral vesicles. The cup-shaped vesicles carry the dIgA/pIgR complexes to the apical surface where they exocytose. Using video microscopy and correlative electron microscopy to study cells grown thin and flat we show that endosome vacuoles tubulate in response to dIgA/pIgR but that the tubules contain TR as well as pIgR. However, we show that TR are removed from these dIgA-induced tubules via clathrin-coated buds and, as a result, the cup-shaped vesicles to which the tubules give rise become enriched in dIgA/pIgR. Taken together with the published information available on pIgR trafficking signals, our observations suggest that the steady-state concentrations of TR and unoccupied pIgR on the basolateral surface of polarized MDCK cells are maintained by a signal-dependent, clathrin-based sorting mechanism that operates along the length of the transcytotic pathway. We propose that the differential sorting of occupied receptors within the MDCK endosome is achieved by this clathrin-based mechanism continuously retrieving receptors like TR from the pathways that deliver pIgR to the apical surface and EGFR to the lysosome.

Genetic evidence that the higher plant Rab-D1 and Rab-D2 GTPases exhibit distinct but overlapping interactions in the early secretory pathway.

GTPases of the Rab1 subclass are essential for membrane traffic between the endoplasmic reticulum (ER) and Golgi complex in animals, fungi and plants. Rab1-related proteins in higher plants are unusual because sequence comparisons divide them into two putative subclasses, Rab-D1 and Rab-D2, that are conserved in monocots and dicots. We tested the hypothesis that the Rab-D1 and Rab-D2 proteins of Arabidopsis represent functionally distinct groups. RAB-D1 and RAB-D2a each targeted fluorescent proteins to the same punctate structures associated with the Golgi stacks and trans-Golgi-network. Dominant-inhibitory N121I mutants of each protein inhibited traffic of diverse cargo proteins at the ER but they appeared to act via distinct biochemical pathways as biosynthetic traffic in cells expressing either of the N121I mutants could be restored by coexpressing the wild-type form of the same subclass but not the other subclass. The same interaction was observed in transgenic seedlings expressing RAB-D1 [N121I]. Insertional mutants confirmed that the three Arabidopsis Rab-D2 genes were extensively redundant and collectively performed an essential function that could not be provided by RAB-D1, which was non-essential. However, plants lacking RAB-D1, RAB-D2b and RAB-D2c were short and bushy with low fertility, indicating that the Rab-D1 and Rab-D2 subclasses have overlapping functions.

NS2 Proteins of GB Virus B and Hepatitis C Virus Share Common Protease Activities and Membrane Topologies.

GB virus B (GBV-B), which is hepatotropic in experimentally infected small New World primates, is a member of the Hepacivirus genus but phylogenetically relatively distant from hepatitis C virus (HCV). To gain insights into the role and specificity of hepaciviral nonstructural protein 2 (NS2), which is required for HCV polyprotein processing and particle morphogenesis, we investigated whether NS2 structural and functional features are conserved between HCV and GBV-B. We found that GBV-B NS2, like HCV NS2, has cysteine protease activity responsible for cleavage at the NS2/NS3 junction, and we experimentally confirmed the location of this junction within the viral polyprotein. A model for GBV-B NS2 membrane topology was experimentally established by determining the membrane association properties of NS2 segments fused to green fluorescent protein (GFP) and their nuclear magnetic resonance structures using synthetic peptides as well as by applying an N-glycosylation scanning approach. Similar glycosylation studies confirmed the HCV NS2 organization. Together, our data show that despite limited amino acid sequence similarity, GBV-B and HCV NS2 proteins share a membrane topology with 3 N-terminal transmembrane segments, which is also predicted to apply to other recently discovered hepaciviruses. Based on these data and using trans-complementation systems, we found that intragenotypic hybrid NS2 proteins with heterologous N-terminal membrane segments were able to efficiently trans-complement an assembly-deficient HCV mutant with a point mutation in the NS2 C-terminal domain, while GBV-B/HCV or intergenotypic NS2 chimeras were not. These studies indicate that virus- and genotype-specific intramolecular interactions between N- and C-terminal domains of NS2 are critically involved in HCV morphogenesis. IMPORTANCE: Nonstructural protein 2 (NS2) of hepatitis C virus (HCV) is a multifunctional protein critically involved in polyprotein processing and virion morphogenesis. To gain insights into NS2 mechanisms of action, we investigated whether NS2 structural and functional features are conserved between HCV and GB virus B (GBV-B), a phylogenetically relatively distant primate hepacivirus. We showed that GBV-B NS2, like HCV NS2, carries cysteine protease activity. We experimentally established a model for GBV-B NS2 membrane topology and demonstrated that despite limited sequence similarity, GBV-B and HCV NS2 share an organization with three N-terminal transmembrane segments. We found that the role of HCV NS2 in particle assembly is genotype specific and relies on critical interactions between its N- and C-terminal domains. This first comparative analysis of NS2 proteins from two hepaciviruses and our structural predictions of NS2 from other newly identified mammal hepaciviruses highlight conserved key features of the hepaciviral life cycle.

Anatomic and functional outcome after 23-gauge vitrectomy, peeling, and intravitreal triamcinolone for idiopathic macular epiretinal membrane.

PURPOSE: To report both the functional and anatomic outcome and safety profile of 23-gauge pars plana vitrectomy combined with membrane peeling and intravitreal injection of triamcinolone acetonide in eyes with idiopathic macular epiretinal membranes. METHODS: Retrospective study of 39 consecutive patients who underwent 23-gauge transconjunctival sutureless vitrectomy, membrane peeling, and intravitreal triamcinolone acetonide injection for an idiopathic macular epiretinal membrane between February 2007 and February 2008. Minimum follow-up was 6 months. RESULTS: Thirty-nine eyes of 39 patients were included in the study. The mean follow-up was 7 +/- 2.2 months (range, 6-15 months). Twenty-two eyes (56%) were pseudophakic and 17 (44%) were phakic at the time of surgery. Five of the phakic eyes (29.4%) had worsening of cataracts during the follow-up period. Mean preoperative intraocular pressure was 14 +/- 3.5 mmHg. At the final follow-up, mean intraocular pressure was 14.5 +/- 2.7 mmHg, which did not differ significantly from the intraocular pressure at baseline (P = 0.14, two-tailed t-test). Five (13%) patients needed topical antiglaucoma treatment. Mean preoperative best-corrected visual acuity (BCVA) was 0.28 decimal equivalent (20/71 Snellen equivalent; logarithm of the minimum angle of resolution 0.54 +/- 0.2, range: 1.0-0.2) and improved significantly (P < 0.0001, two-tailed t-test) to a mean of 0.6 decimal equivalent (20/33 Snellen equivalent; logarithm of the minimum angle of resolution 0.22 +/- 0.16, range: 0.6-0) at the final follow-up. The BCVA improved by a mean of 3.2 +/- 2.1 lines (range: 0-8). Twenty-nine patients (74%) demonstrated a gain of > or =3 lines. Mean central macular thickness was 456 +/- 77 microm (mean +/- SD) at baseline, which was significantly reduced at the final follow-up to 327 +/- 79 microm (mean +/- SD; P < 0.0001, two-tailed t-test). Average central macular thickness reduction was 131 +/- 77 microm (mean +/- SD; range: 36-380 microm). A subgroup analysis of 15 selected cases, which had central macular thickness and BCVA measurements after the first postoperative week, demonstrated that 84% of the total final reduction in central macular thickness and 84% of the total final improvement in BCVA occurred already during the first postoperative week. CONCLUSION: Twenty-three-gauge sutureless transconjunctival vitrectomy is a safe and effective technique for the treatment of idiopathic macular epiretinal membranes. The concomitant administration of intravitreal triamcinolone acetonide after pars plana vitrectomy may speed up and improve the anatomic and functional outcome.

Light-induced phosphorylation of a membrane protein plays an early role in signal transduction for phototropism in Arabidopsis thaliana.

Blue light is known to cause rapid phosphorylation of a membrane protein in etiolated seedlings of several plant species, a protein that, at least in etiolated pea seedlings and maize coleoptiles, has been shown to be associated with the plasma membrane. The light-driven phosphorylation has been proposed on the basis of correlative evidence to be an early step in the signal transduction chain for phototropism. In the Arabidopsis thaliana mutant JK224, the sensitivity to blue light for induction of first positive phototropism is known to be 20- to 30-fold lower than in wild type, whereas second positive curvature appears to be normal. While light-induced phosphorylation can be demonstrated in crude membrane preparations from shoots of the mutant, the level of phosphorylation is dramatically lower than in wild type, as is the sensitivity to blue light. Another A. thaliana mutant, JK218, that completely lacks any phototropic responses to up to 2 h of irradiation, shows a normal level of light-induced phosphorylation at saturation. Since its gravitropic sensitivity is normal, it is presumably blocked in some step between photoreception and the confluence of the signal transduction pathways for phototropism and gravitropism. We conclude from mutant JK224 that light-induced phosphorylation plays an early role in the signal transduction chain for phototropism in higher plants.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, α et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique α et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité α de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité α de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic α subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the α subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase α subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

Analyse fonctionnelle et moléculaire d'un nouveau gène (VIT32) impliqué dans le mécanisme d'action de la vasopressine

Résumé Les mécanismes de régulation de la réabsorption fine du sodium dans la partie distale (tube distal et tube collecteur) du néphron ont un rôle essentiel dans le maintien de l'homéostasie de la composition ionique et du volume des fluides extracellulaires. Ces mécanismes permettent le maintien de la pression sanguine. Dans la cellule principale du tube collecteur cortical (CCD), le taux de réabsorption de sodium dépend essentiellement de l'activité du canal épithélial à sodium (ENaC) à la membrane apicale et de la pompe sodium-potassium-adénosine-triphosphatase (Na+-K±ATPase) à la membrane basolatérale. L'activité de ces deux molécules de transport est en partie régulée par des hormones dont l'aldostérone, la vasopressine et l'insuline. Dans les cellules principales de CCD, la vasopressine régule le transport de sodium en deux étapes : une étape précoce dite « non-génomique » et une étape tardive dite « génotnique ». Durant l'étape précoce, la vasopressine régule l'expression de gènes, dont certains peuvent être impliqués dans le transport de sodium, comme ENaC et la Na+ -K+ATP ase. Le but de mon travail a été d'étudier l'implication d'une protéine appelée VIP32 (vasopressin induced protein : VIP) dans le transport de sodium. L'expression de VIP32 est augmentée par la vasopressine dans les cellules principales de CCD. Dans l'ovocyte de Xenopus laevis utilisé comme système d'expression hétérologue, nous avons montré que l'expression de VIP32 provoque la maturation méiotique de l'ovocyte par l'activation de la voie des MAPK (mitogen-activated protein kinase : MAPK) et du facteur de promotion méiotique (MPF). La co-expression d'ENaC et de VIP32 diminue l'activité d'ENaC de façon sélective, par l'activation de la voie des MAPK, sans affecter l'expression du canal à la surface membranaire. Nous avons également montré que la régulation de l'activité d'ENaC par la voie des MAPK est dépendante du mécanisme de régulation d'ENaC lié à un motif du canal appelé PY. Ce motif est impliqué dans le contrôle de la probabilité d'ouverture ainsi que l'expression à la surface membranaire d'ENaC. Dans les cellules principales, VIP32 par l'activation de la voie des MAPK peut être impliqué dans la régulation négative du transport transépithélial qui a lieu après plusieurs heures de traitement à la vasopressine. Le tube collecteur de reins normaux présente un taux basal significatif d'activité de la voie MAPK MEK1/2-ERK1/2. Dans la lignée mpkCCDc14 de cellules principales de CCD de souris, que nous avons utilisé pour cette partie du travail, nous avons montré la présence d'un taux basal d'activité d'ERK1/2 (pERK1/2). L'aldostérone et la vasopressine, connus pour stimuler le courant sodique transépithélial dans le CCD, ne changeaient pas le taux basal de pERK1/2. Le transport de sodium transépithélial basal, ou stimulé par l'aldostérone ou la vasopressine est diminué par l'effet de PD98059, un inhibiteur de MEK1/2 qui diminue parallèlement le taux de pERK1/2. Nous avons également montré dans des cellules non stimulées, ou stimulées par de l'aldostérone ou de la vasopressine, que l'activité de la Na+-K+ ATPase, mais pas celle d'ENaC est inhibée par des traitements avec différents inhibiteurs de MEK1/2. Par un marquage de la Na±-K+ATPase à la surface membranaire nous avons montré que la voie d'ERK1/2 contrôle l'activité intrinsèque de la Na+-K+ ATPase, plutôt que son expression à la surface membranaire. Ces données ont montré que l'activité de la Na+-K+ATPase et le transport transépithélial de sodium sont contrôlés par l'activité basal et constitutive de la voie d'ERK1/2. Summary The regulation of sodium reabsorption in the distal nephron (distal tubule and cortical collecting duct) in the kidney plays an essential role in the control of extracellular fluids composition and volume, and thereby blood pressure. In the principal cell of the collecting duct (CCD), the level of sodium reabsorption mainlly depends on the activity of both epithlial sodium channel (ENaC) and sodium-potassium-adenosine-triphosphatase (Na+-K+ATPase). The activity of these two transporters is regulated by hormones especially aldosterone, vasopressin and insuline.In the principal cell of the CCD, vasopressin regulates sodium transport via a short-term effect and a late genomic effect. During the genomic effect vasopressin activates a complex network of vasopressin-dependent genes involved in the regulation of sodium transport as ENaC and Na+-K+ATPase. We were interested in the role of a recently identified vasopressin induced protein (VIP32) and its implication in the regulation of sodium transport in principal cell of the CCD. The Xenopus oocyte expression system revealed two functions : expressed alone VIP32 rapidly induces oocyte meiotic maturation through the activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and the meiotic promoting factor and when co-expressed with ENaC, V1P32 selectively dowrn-egulates channel activity, but not channel cell surface expression. We have shown that the ENaC downregulation mediated by the activation of the MAPK pathway is related to the PY motif of ENaC. This motif is implicated in ENaC cell surface expression and open probability regulation. In the kidney principal cell, VIP32 through the activation of MAPK pathway may be involved in the downregulation of transepithelial sodium transport observed within a few hours after vasopressin treatment. The collecting duct of normal kidney exhibits significant activity of the MEK1/2-ERK1/2 MAPK pathway. Using in vitro cultured mpkCCDc14 principal cells we have shown a significant basal level of ERK1/2 activity (pERK1/2). Aldosterone and vasopressin, known to upregulate sodium reabsorption in CCDs, did not change ERK1/2 activity. Basal and aldosterone- or vasopressin-stimulated sodium transport were downregulated by the MEK1/2 inhibitor PD98059 in parallel with a decrease in pERK1/2 in vitro. The activity of Na+-K+ATPase but not that of ENaC was inhibited by MEK1/2 inhibitors in both, unstimulated and aldosterone- or vasopressin-stimulated CCDs in vitro. Cell surface labelling showed that intrinsic activity rather than cell surface expression of Na+-K+ATPase was controlled by pERK1/2. Our data demonstrate that basal constitutive activity of ERK1/2 pathway controls Na+-K+ATPase activity and transepithelial sodium transport in the principal cell. Résumé tout public Les mécanismes de régulation de la réabsorption fine du sodium dans la partie distale du néphron (l'unité fonctionnelle du rein) ont un rôle essentiel dans le maintien de l'homéostasie de la composition et du volume des fluides extracellulaires. Ces mécanismes permettent de maintenir une pression sanguine effective. Dans les cellules principales du tube collecteur, une région spécifique du néphron distal, le transport de sodium dépend essentiellement de l'activité de deux transporteurs de sodium : le canal épithélial à sodium (ENaC) et la pompe sodium-potassium-adénosine-triphosphatase (Na+-K+ATPase). Afin de répondre aux besoins de l'organisme, l'activité de ces deux molécules de transport est en partie régulée par des hormones dont l'aldostérone, la vasopressine et l'insuline. Dans les cellules principales du tube collecteur, la vasopressine régule le transport de sodium en deux étapes : une étape rapide et une étape lente dite « génomique ». Durant l'étape lente, la vasopressine régule l'expression de gènes pouvant être impliqués dans le transport de sodium, dont notamment ceux d'ENaC et de la Na+-K+ATPase. Parmi les gènes dont l'expression est augmentée par la vasopressine, celui de VIP32 (vasopressin induced protein : VIP) fait l'objet de cette étude. Le but de mon travail a été d'étudier, dans un système d'expression hétérologue (l'ovocyte de Xenopus leavis), l'implication de VIP32 dans le transport de sodium. Nous avons montré que VIP32 est capable d'activer un mécanisme moléculaire en cascade appelé MAPK (mitogen-activated protein kinase : MAPK) et est aussi capable de diminuer l'activité d'ENaC. Parallèlement, dans une lignée de cellules principales de tube collecteur les mpkCCDc14, nous avons montré que le taux basal d'activité de la cascade MAPK est capable de réguler l'activité de la Na+-K+ATPase, tandis qu'il n'influence pas l'activité d'ENaC.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.

No Evidence That Soluble TACI Induces Signalling via Membrane-Expressed BAFF and APRIL in Myeloid Cells.

Myeloid cells express the TNF family ligands BAFF/BLyS and APRIL, which exert their effects on B cells at different stages of differentiation via the receptors BAFFR, TACI (Transmembrane Activator and CAML-Interactor) and/or BCMA (B Cell Maturation Antigen). BAFF and APRIL are proteins expressed at the cell membrane, with both extracellular and intracellular domains. Therefore, receptor/ligand engagement may also result in signals in ligand-expressing cells via so-called "reverse signalling". In order to understand how TACI-Fc (atacicept) technically may mediate immune stimulation instead of suppression, we investigated its potential to activate reverse signalling through BAFF and APRIL. BAFFR-Fc and TACI-Fc, but not Fn14-Fc, reproducibly stimulated the ERK and other signalling pathways in bone marrow-derived mouse macrophages. However, these effects were independent of BAFF or APRIL since the same activation profile was observed with BAFF- or APRIL-deficient cells. Instead, cell activation correlated with the presence of high molecular mass forms of BAFFR-Fc and TACI-Fc and was strongly impaired in macrophages deficient for Fc receptor gamma chain. Moreover, a TACI-Fc defective for Fc receptor binding elicited no detectable signal. Although these results do not formally rule out the existence of BAFF or APRIL reverse signalling (via pathways not tested in this study), they provide no evidence in support of reverse signalling and point to the importance of using appropriate specificity controls when working with Fc receptor-expressing myeloid cells.