The Human Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a: Evidence for a Homotetrameric Assembly State at the Cell Surface.

The chicken acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. We address here the oligomeric state of the functional ASIC1 in situ at the cell surface. The oligomeric states of functional ASIC1a and mutants with additional cysteines introduced in the extracellular pore vestibule were resolved on SDS-PAGE. The functional ASIC1 complexes were stabilized at the cell surface of Xenopus laevis oocytes or CHO cells either using the sulfhydryl crosslinker BMOE, or sodium tetrathionate (NaTT). Under these different crosslinking conditions ASIC1a migrates as four distinct oligomeric states that correspond by mass to multiples of a single ASIC1a subunit. The relative importance of each of the four ASIC1a oligomers was critically dependent on the availability of cysteines in the transmembrane domain for crosslinking, consistent with the presence of ASIC1a homo-oligomers. The expression of ASIC1a monomers, trimeric or tetrameric concatemeric cDNA constructs resulted in functional channels. The resulting ASIC1a complexes are resolved as a predominant tetramer over the other oligomeric forms, after stabilization with BMOE or NaTT and SDS-PAGE/western blot analysis. Our data identify a major ASIC1a homotetramer at the surface membrane of the cell expressing functional ASIC1a channel.

Epithelial Sodium Channel-Mediated Sodium Transport Is Not Dependent on the Membrane-Bound Serine Protease CAP2/Tmprss4.

The membrane-bound serine protease CAP2/Tmprss4 has been previously identified in vitro as a positive regulator of the epithelial sodium channel (ENaC). To study its in vivo implication in ENaC-mediated sodium absorption, we generated a knockout mouse model for CAP2/Tmprss4. Mice deficient in CAP2/Tmprss4 were viable, fertile, and did not show any obvious histological abnormalities. Unexpectedly, when challenged with sodium-deficient diet, these mice did not develop any impairment in renal sodium handling as evidenced by normal plasma and urinary sodium and potassium electrolytes, as well as normal aldosterone levels. Despite minor alterations in ENaC mRNA expression, we found no evidence for altered proteolytic cleavage of ENaC subunits. In consequence, ENaC activity, as monitored by the amiloride-sensitive rectal potential difference (ΔPD), was not altered even under dietary sodium restriction. In summary, ENaC-mediated sodium balance is not affected by lack of CAP2/Tmprss4 expression and thus, does not seem to directly control ENaC expression and activity in vivo.

Accuracy and Precision of Head Motion Information in Multi-Channel Free Induction Decay Navigators for Magnetic Resonance Imaging.

Free induction decay (FID) navigators were found to qualitatively detect rigid-body head movements, yet it is unknown to what extent they can provide quantitative motion estimates. Here, we acquired FID navigators at different sampling rates and simultaneously measured head movements using a highly accurate optical motion tracking system. This strategy allowed us to estimate the accuracy and precision of FID navigators for quantification of rigid-body head movements. Five subjects were scanned with a 32-channel head coil array on a clinical 3T MR scanner during several resting and guided head movement periods. For each subject we trained a linear regression model based on FID navigator and optical motion tracking signals. FID-based motion model accuracy and precision was evaluated using cross-validation. FID-based prediction of rigid-body head motion was found to be with a mean translational and rotational error of 0.14±0.21 mm and 0.08±0.13(°) , respectively. Robust model training with sub-millimeter and sub-degree accuracy could be achieved using 100 data points with motion magnitudes of ±2 mm and ±1(°) for translation and rotation. The obtained linear models appeared to be subject-specific as inter-subject application of a "universal" FID-based motion model resulted in poor prediction accuracy. The results show that substantial rigid-body motion information is encoded in FID navigator signal time courses. Although, the applied method currently requires the simultaneous acquisition of FID signals and optical tracking data, the findings suggest that multi-channel FID navigators have a potential to complement existing tracking technologies for accurate rigid-body motion detection and correction in MRI.

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.

Association of urinary calcium excretion with serum calcium and vitamin D levels

Contexte de recherche Mon projet de thèse en médecine concerne l'exploration des facteurs associés à l'excrétion urinaire de calcium durant 24h dans une étude populationnelle suisse. Les données qui ont été utilisées sont issues d'une étude populationnelle connue sous le nom de « Swiss survey on Salt intake », qui a été effectuée entre janvier 2010 et mars 2012 et avait pour but principal d'investiguer la consommation de sel de la population suisse. L'étude a regroupé plusieurs centres d'investigations dans toute la Suisse (11 centres dans 9 cantons), dans trois langues nationales (français, allemand et italien) et concerne des participants âgés de plus de 15 ans. Cette étude avait l'avantage de collecter des données anthropométriques, sanguines, urinaires, de lister les traitements et de poser des questions sur le style de vie (alcool, activité physique, etc.). A notre connaissance, peu d'articles populationnels explorent les facteurs associés à l'excrétion urinaire de calcium durant 24h et notamment l'association de celle-ci avec le calcium corrigé sanguin et la 250H-vitamine D2*3 sanguin chez les hommes et les femmes. Méthodes Après exclusions des données manquantes, 1293 participants sur 1550 ont été retenus pour l'analyse statistique. Celle-ci a été effectuée grâce au logiciel Stata 12. Nous avons utilisé la régression linéaire multiple dont la variable dépendante était l'excrétion urinaire de calcium durant 24h en stratifiant les analyses par sexe (en raison des interactions statistiques significatives entre calcémie et sexe, et entre vitamine D et sexe). Les variables indépendantes comprenaient des variables en lien avec l'excrétion urinaire de calcium (vingt-quatre covariables au total) dont la 250H-vitamine D2+3 (avec la variabilité saisonnière) et la calcémie (calcium sérique corrigé par les protéines). Résultats D'importantes différences entre hommes et femmes ont été observées : une association positive entre l'excrétion urinaire de calcium durant 24h et la calcémie corrigée a été trouvée chez les femmes mais pas chez les hommes. En parallèle, nous relevons une association positive entre l'excrétion urinaire de calcium durant 24h et la 250H-vitamine D2+3 chez les hommes mais pas chez les femmes (liée essentiellement à la présence 250H-vitamine D3 en quantité bien plus importante que la 250H-vitamine D2). Nous soulevons deux hypothèses possibles pour expliquer ces importances différences hommes-femmes. La première hypothèse est l'influence des hormones sexuelles. La seconde hypothèse est la contribution des facteurs diététiques. De nouvelles analyses et de nouvelles études populationnelles sont nécessaires pour confirmer ou infirmer ces hypothèses. Perspectives Une prochaine étape sera d'explorer l'influence de l'excrétion urinaire de sodium, de potassium et d'urée sur les associations observées afin d'étudier une possible influence de l'alimentation sur ces résultats. Une autre étape consistera à doser les hormones sexuelles dans les échantillons de cette étude ou dans ceux d'une autre étude. La prévalence de l'hypercalciurie dans cette étude (9 % chez les hommes et 8.1% chez les femmes) est plus basse que dans d'anciennes études non-populationnelles. Il paraît important de mentionner qu'il existe peu de données sur les normes de calciurie dans la population générale et qu'il n'existe pas de consensus international claire concernant la définition de l'hypercalciurie. Cette prévalence élevée est notamment pertinente dans la cadre des néphrolithiasés, qui sont connues pour être plus fréquentes chez les hommes que chez les femmes. Enjeux Les différences hommes-femmes observées pourraient avoir des implications pour améliorer notre compréhension des mécanismes impliqués dans les lithiases urinaires et dans le risque cardiovasculaire associé ainsi que dans notre compréhension des mécanismes associés à l'ostéoporose.

Dietary calcium restriction enhances cadmium-induced metallothionein synthesis in rats.

Experiments were conducted with adult male rats to investigate the effects of dietary calcium (Ca) restriction upon intake and tissue distribution of cadmium (Cd), and Cd-metallothionein (Mt) synthesis. Four groups of animals were fed either a low-Ca, semisynthetic diet (0.1% Ca) or the same diet supplemented with 0.8% Ca (normal diet). The caloric intake was similar in all groups. Two groups (low-Ca and normal diet) were used as controls, and two groups (low-Ca and normal diet) received 100 mg/l Cd (as CdCl2) in drinking water. Cd levels in liver, kidney, spleen and red cells were measured in all animals after 8 weeks of treatment. Concomitantly, Mt levels in plasma, liver and kidney were evaluated by radioimmunoassay. Ca deficiency entailed marked and significant increases in accumulation of Cd and synthesis of Mt in all assayed tissues. It is concluded that dietary Ca restriction, independent of caloric intake, enhances Cd intestinal absorption and tissue accumulation, which is followed by increased tissue Mt synthesis.

Acid-sensing ion channel 1a drives AMPA receptor plasticity following ischemia and acidosis in hippocampal CA1 neurons

The CA1 region of the hippocampus is particularly vulnerable to ischemic damage. While NMDA receptors play a major role in excitotoxicity, it is thought to be exacerbated in this region by two forms of post-ischemic AMPA receptor (AMPAR) plasticity - namely, anoxic long-term potentiation (a-LTP), and a delayed increase in the prevalence of Ca2+ -permeable GluA2-lacking AMPARs (CP-AMPARs). The acid-sensing ion channel 1a (ASIC1a) which is expressed in CA1 pyramidal neurons, is also known to contribute to post-ischemic neuronal death and to physiologically induced LTP. This raises the question - does ASIC1a activation drive the post-ischemic forms of AMPAR plasticity in CA1 pyramidal neurons? We have tested this by examining organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs) exposed to oxygen glucose deprivation (OGD), and dissociated cultures of hippocampal pyramidal neurons (HPN) exposed to low pH (acidosis). We find that both a-LTP and the delayed increase in the prevalence of CP-AMPARs are dependent on ASIC1a activation during ischemia. Indeed, acidosis alone is sufficient to induce the increase in CP-AMPARs. We also find that inhibition of ASIC1a channels circumvents any potential neuroprotective benefit arising from block of CP-AMPARs. By demonstrating that ASIC1a activation contributes to post-ischemic AMPAR plasticity, our results identify a functional interaction between acidotoxicity and excitotoxicity in hippocampal CA1 cells, and provide insight into the role of ASIC1a and CP-AMPARs as potential drug targets for neuroprotection. We thus propose that ASIC1a activation can drive certain forms of CP-AMPAR plasticity, and that inhibiting ASIC1a affords neuroprotection.

Extracellular Subunit Interactions Control Transitions between Functional States of Acid-sensing Ion Channel 1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal, voltage-independent Na(+) channels that are transiently activated by extracellular acidification. They are involved in pain sensation, the expression of fear, and in neurodegeneration after ischemic stroke. Our study investigates the role of extracellular subunit interactions in ASIC1a function. We identified two regions involved in critical intersubunit interactions. First, formation of an engineered disulfide bond between the palm and thumb domains leads to partial channel closure. Second, linking Glu-235 of a finger loop to either one of two different residues of the knuckle of a neighboring subunit opens the channel at physiological pH or disrupts its activity. This suggests that one finger-knuckle disulfide bond (E235C/K393C) sets the channel in an open state, whereas the other (E235C/Y389C) switches the channel to a non-conducting state. Voltage-clamp fluorometry experiments indicate that both the finger loop and the knuckle move away from the β-ball residue Trp-233 during acidification and subsequent desensitization. Together, these observations reveal that ASIC1a opening is accompanied by a distance increase between adjacent thumb and palm domains as well as a movement of Glu-235 relative to the knuckle helix. Our study identifies subunit interactions in the extracellular loop and shows that dynamic changes of these interactions are critical for normal ASIC function.

Phenotypical analysis of mice deficient for the channel activating protease CAP2

Channel activating proteases (CAP) are membrane-bound serine proteases that have been identified as in vitro activators of the epithelial sodium channel (ENaC). Two of them are mainly studied in the laboratory. CAP1/Prss8 was previously shown implicated in colonic sodium homeostasis in vivo. In the first part of this thesis, we generated and characterized mice deficient for CAP2/Tmprss4. The mice are healthy and viable, and they do not show any obvious phenotype. We investigated ENaC activity and expression under regular and sodium- deficient diet, and we could demonstrate that CAP2 is not a major regulator of sodium homeostasis in vivo. We next studied whether CAP2 is implicated in potassium homeostasis. We detected a strong gender-dependency when CAP2 knock-out mice were put under a potassium-deficient diet. We showed in male mice an implication of CAP2 in the regulation of the colonic H+, K+- ATPase, and we propose an implication of membrane-associated progesterone receptors and their binding partners, as well as a possible cleavage-mediated glucocorticoid receptor signalling. We studied the possible interaction between CAPI and CAP2 by generating and characterizing two different mouse study groups, displaying different hypomorphic mutations in the CAPI gene, and deficient for CAP2. We demonstrate that balanced expression of CAPI and CAP2 is required for maintainance of skin integrity and for normal placental development. As CAPI knock-out embryos die due to a placental failure, the additional combined deletion of CAP2 resulted in survival until birth. We could evidence that CAPI and CAP2 are implicated in the same signalling pathway as proposed in cancer studies at the level of the placenta, implicating integrin a5, ERK, AKT, E- and N-cadherin. Furthermore, we investigated whether CAPI is implicated in the pathogenesis and susceptibility to experimental chronic colitis in a mutant rat model. By giving CAPI mutant rats Dextran sodium sulfate, we induced chronic inflammation of the colon, and we highlighted the protective role of CAPI at the histopathological and clinical levels. In conclusion, we showed that CAP2 is not a major regulator of ENaC-mediated sodium homeostasis in vivo, but rather a regulator of potassium homeostasis in a gender-dependent manner implicating the colonic H+, K+-ATPase, membrane progesterone receptors, and the glucocorticoid receptor. We have investigated whether CAPI and CAP2 interact at the functional level, and we show that a balanced expression of CAPI and CAP2 is required in the skin, but also in the placenta. Imbalanced expression of CAPI and CAP2 leads to impaired EMT-associated signalling. We have studied whether CAPI is implicated in the pathogenesis and susceptibility to chronic colitis, and we demonstrated the protective role of CAPI in distal colon. -- Les protéases activatrices de canal (CAP) sont des protéases à serine attachées à la membrane qui ont été identifiées comme activateurs in vitro du canal sodique épithélial (ENaC). Deux de ces protéases sont principalement étudiées dans le laboratoire. CAP1/Prss8 a été identifié préalablement comme impliqué dans l'homéostasie du sodium in vivo au niveau du côlon. Dans la première partie de cette thèse, nous avons généré et caractérisé des souris déficientes pour CAP2/Tmprss4. Les souris sont en bonne santé et viables, et elles ne présentent pas de phénotype visible. Nous avons étudié l'activité et l'expression d'ENaC sous diète normale et déficiente en sodium, et nous avons démontré que CAP2 n'est pas un régulateur essentiel de l'homéostasie sodique in vivo. Nous avons ensuite étudié si CAP2 est impliqué dans l'homéostasie du potassium. Nous avons détecté une forte dépendance du sexe lorsque les souris knock-out pour CAP2 étaient placées sous diète déficiente en potassium. Nous avons démontré dans les souris mâles une implication de CAP2 dans la régulation de la H+, K+- ATPase colonique, des récepteurs membranaires à la progestérone et de leur partenaires de liaison, ainsi que dans la possible signalisation médiée par le clivage du récepteur aux glucocorticoïdes. Nous avons étudié l'interaction possible entre CAPI et CAP2 en générant et en caractérisant deux groupes d'étude de souris différents, porteurs de différentes mutations hypomorphiques dans le gène de CAPI, et déficients pour CAP2. Nous avons pu montrer qu'une expression équilibrée de CAPI et CAP2 est requise pour le maintien de l'intégrité de la peau et pour le développement normal du placenta. Les embryons knock-out pour CAPI meurent suite à une défaillance placentaire, et la délétion additionnelle et combinée de CAP2 permet la survie jusqu'à la naissance. Nous supposons que CAPI et CAP2 sont impliqués dans la même voie de signalisation au niveau du placenta que celle proposée dans les études de cancer, impliquant l'intégrine a5, ERK, AKT, E- et N-cadhérine. De plus, nous avons étudié si CAPI est impliqué dans la pathogenèse et la susceptibilité de colite chronique expérimentale dans un modèle de rat mutant. En administrant aux rats mutants pour CAPI du Dextran sodium sulfate, nous avons induit une inflammation chronique du côlon, et nous avons pu mettre en évidence le rôle protecteur de CAPI au niveau histopathologique et au niveau clinique. En conclusion, nous avons démontré que CAP2 n'est pas un régulateur essentiel de l'homéostasie sodique médiée par ENaC in vivo, mais plutôt de l'homéostasie potassique d'une manière dépendante du sexe et impliquant la H+, K+-ATPase colonique, les récepteurs membranaires à la progestérone et le récepteur aux glucocorticoïdes. Nous avons étudié si CAPI et CAP2 interagissent au niveau fonctionnel, et nous avons montré qu'une expression équilibrée entre CAPI et CAP2 est requise dans la peau et le placenta. L'expression déséquilibrée de CAPI et CAP2 mène à une altération de la signalisation associée à l'EMT. Nous avons étudié si CAPI est impliqué dans la pathogenèse et la susceptibilité de colite chronique expérimentale, et nous avons démontré le rôle protecteur de CAPI dans le côlon distal.

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

Les interactions entre les systèmes de régulation du sodium et du calcium sont encore mal comprises et leur importance clinique mérite d'être étudiée plus en détail. Les études chez l'animal ont montré qu'il existe des relations entre le taux plasmatique d'hormone parathyroïdienne (PTH) et l'aldostérone ou l'activité de la rénine. Par ailleurs, il a été démontré chez l'animal et chez l'homme que le taux sanguin de PTH augmente rapidement après une injection de furosémide, un diurétique de l'anse ce qui fait penser qu'il existe un lien entre l'effet du furosémide sur le rein et la sécrétion de PTH. Toutefois, à ce jour, le(s) mécanisme(s) impliqués dans ce lien reste(nt) encore inconnu(s). Des résultats plus récents suggèrent que l'effet du furosemide est amoindri par l'administration préalable d'un calcimimétique agissant au niveau du récepteur sensible au calcium (calcium sensing receptor). Pour explorer chez l'homme, les mécanismes possibles du lien entre PTH et effet du furosemide sur le rein, nous avons planifié une étude randomisée croisée contre placebo réalisée chez 18 volontaires sains masculins. Le but principal était d'investiguer le rôle du système rénine-angiotensine et des calcium sensing receptors. L'étude s'est donc réalisée en 2 phases pour chaque sujet. Les participants ont ainsi reçu soit du cinacalcet (60mg) soit un placebo dans une première phase et le placebo ou du cinacalcet dans la 2° phase. Dans chaque phase d'évaluation, une injection de 20 mg de furosemide a été administrée par voie intraveineuse à l'équilibre soit 3 heures après la prise du placebo ou du cinacalcet. Des échantillons de plasma ont été prélevés toutes les 15 minutes pendant 1 heure puis toutes les heures pour le dosage de PTH intacte, calcium, sodium, potassium, magnésium, phosphate, activité de la rénine plasmatique et aldostérone jusqu'à 6h après l'injection de furosémide. L'excrétion urinaire de ces mêmes électrolytes a été mesurée aux mêmes intervalles.

Calcium revisited: part II calcium supplements and their effects.

Calcium supplements were tested in pregnancy and lactation, in childhood and adolescence, in pre- and postmenopausal women and in elderly persons with various effects on bone density and fracture incidence. They must be properly chosen and adequately used. In this case, the reported minor negative side-effects do not restrict their use. All these aspects are reviewed here.