Genetic male infertility and mutation of CATSPER ion channels.

A clinically significant proportion of couples experience difficulty in conceiving a child. In about half of these cases male infertility is the cause and often genetic factors are involved. Despite advances in clinical diagnostics ∼50% of male infertility cases remain idiopathic. Based on this, further analysis of infertile males is required to identify new genetic factors involved in male infertility. This review focuses on cation channel of sperm (CATSPER)-related male infertility. It is based on PubMed literature searches using the keywords 'CATSPER', 'male infertility', 'male contraception', 'immunocontraception' and 'pharmacologic contraception' (publication dates from January 1979 to December 2009). Previously, contiguous gene deletions including the CATSPER2 gene implicated the sperm-specific CATSPER channel in syndromic male infertility (SMI). Recently, we identified insertion mutations of the CATSPER1 gene in families with recessively inherited nonsyndromic male infertility (NSMI). The CATSPER channel therefore represents a novel human male fertility factor. In this review we summarize the genetic and clinical data showing the role of CATSPER mutation in human forms of NSMI and SMI. In addition, we discuss clinical management and therapeutic options for these patients. Finally, we describe how the CATSPER channel could be used as a target for development of a male contraceptive.

The neuroretina is a novel mineralocorticoid target: aldosterone up-regulates ion and water channels in Müller glial cells.

Glucocorticoids reduce diabetic macular edema, but the mechanisms underlying glucocorticoid effects are imperfectly elucidated. Glucocorticoids may bind to glucocorticoid (GR) and mineralocorticoid (MR) receptors. We hypothesize that MR activation may influence retinal hydration. The effect of the MR agonist aldosterone (24 h) on ion/water channel expression (real-time PCR, Western blot, immunofluorescence) was investigated on cultured retinal Müller glial cells (RMGs, which contribute to fluid homeostasis in the retina), in Lewis rat retinal explants, and in retinas from aldosterone-injected eyes. We evidenced cell-specific expression of MR, GR, and 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase type II. Aldosterone significantly enhances expression of sodium and potassium channels ENaC-alpha (6.5-fold) and Kir4.1 (1.9-fold) through MR and GR occupancy, whereas aquaporin 4 (AQP4, 2.9-fold) up-regulation is MR-selective. Aldosterone intravitreous injection induces retinal swelling (24% increase compared to sham-injected eyes) and activation of RMGs. It promotes additional localization of Kir4.1 and AQP4 toward apical microvilli of RMGs. Our results highlight the mineralocorticoid-sensitivity of the neuroretina and show that aldosterone controls hydration of the healthy retina through regulation of ion/water channels expression in RMGs. These results provide a rationale for future investigations of abnormal MR signaling in the pathological retina.

Precursor ion scans for the targeted detection of stable-isotope-labeled peptides.

Stable isotope labels are routinely introduced into proteomes for quantification purposes. Full labeling of cells in varying biological states, followed by sample mixing, fractionation and intensive data acquisition, is used to obtain accurate large-scale quantification of total protein levels. However, biological processes often affect only a small group of proteins for a short time, resulting in changes that are difficult to detect against the total proteome background. An alternative approach could be the targeted analysis of the proteins synthesized in response to a given biological stimulus. Such proteins can be pulse-labeled with a stable isotope by metabolic incorporation of 'heavy' amino acids. In this study we investigated the specific detection and identification of labeled proteins using acquisition methods based on Precursor Ion Scans (PIS) on a triple-quadrupole ion trap mass spectrometer. PIS-based methods were set to detect unique immonium ions originating from labeled peptides. Different labels and methods were tested in standard mixtures to optimize performance. We showed that, in comparison with an untargeted analysis on the same instrument, the approach allowed a several-fold increase in the specificity of detection of labeled proteins over unlabeled ones. The technique was applied to the identification of proteins secreted by human cells into growth media containing bovine serum proteins, allowing the preferential detection of labeled cellular proteins over unlabeled bovine ones. However, compared with untargeted acquisitions on two different instruments, the PIS-based strategy showed some limitations in sensitivity. We discuss possible perspectives of the technique.

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.

Selective regulation of acid-sensing ion channel 1 by serine proteases.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family. ASICs are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. Conditions of low extracellular pH, such as ischemia and inflammation in which ASICs are thought to be active, are accompanied by increased protease activity. We show here that serine proteases modulate the function of ASIC1a and ASIC1b but not of ASIC2a and ASIC3. We show that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1a activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in current response if ASIC1a is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of approximately 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provide evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in neurons. Thus, we have identified a mechanism that modulates ASIC function and may allow ASIC1a to adapt its gating to situations of persistent extracellular acidification.

Subtype-specific Modulation of Acid-sensing Ion Channel (ASIC) Function by 2-Guanidine-4-methylquinazoline.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+)-selective channels that are transiently activated by extracellular acidification. ASICs are involved in fear and anxiety, learning, neurodegeneration after ischemic stroke, and pain sensation. The small molecule 2-guanidine-4-methylquinazoline (GMQ) was recently shown to open ASIC3 at physiological pH. We have investigated the mechanisms underlying this effect and the possibility that GMQ may alter the function of other ASICs besides ASIC3. GMQ shifts the pH dependence of activation to more acidic pH in ASIC1a and ASIC1b, whereas in ASIC3 this shift goes in the opposite direction and is accompanied by a decrease in its steepness. GMQ also induces an acidic shift of the pH dependence of inactivation of ASIC1a, -1b, -2a, and -3. As a consequence, the activation and inactivation curves of ASIC3 but not other ASICs overlap in the presence of GMQ at pH 7.4, thereby creating a window current. At concentrations >1 mm, GMQ decreases maximal peak currents by reducing the unitary current amplitude. Mutation of residue Glu-79 in the palm domain of ASIC3, previously shown to be critical for channel opening by GMQ, disrupted the GMQ effects on inactivation but not activation. This suggests that this residue is involved in the consequences of GMQ binding rather than in the binding interaction itself. This study describes the mechanisms underlying the effects of a novel class of ligands that modulate the function of all ASICs as well as activate ASIC3 at physiological pH.

Neurobiologia, coscienza e neuroetica. Ricerche filosofiche in margine al dialogo tra G.P. CHANGEUX e P. RICOEUR

Le neuroscienze occupano oggi un ruolo essenziale nel dibattito scientifico e filosofico, nonché in quello delle scienze umane. Esse costituiscono la sfida più seria al sapere fin qui elaborato intorno ai fondamenti dell'esperienza di coscienza, poiché si propongono come capaci di rispondere alla domanda di origine e funzionamento della coscienza. Le neuroscienze cognitive stanno, oggi, rivoluzionando la nostra concezione della mente e delle sue funzioni. Ci forniscono nuovi dati sulla natura delle sensazioni, della memoria, della percezione e dei processi di astrazione. L'epistemologia è rientrata così pienamente nell'ambito di una disciplina sperimentale, come diversi filosofi (da Hume a Quine) hanno auspicato. È, alla fine, evoluta nell'esperienza odierna della cosiddetta "epistemologia sperimentale", luogo che coniuga il rigore sperimentale della scienza con la profondità e la sofisticazione argomentativa della tradizione filosofica. Come arriviamo a conoscere? Quali vincoli poniamo a quello che deve essere conosciuto? Perché seguiamo certe vie invece di altre? Come arriviamo a formulare giudizi e a prendere decisioni? Che valore ha la conoscenza già acquisita nell'elaborazione di nuove esperienze? In particolare, che peso hanno le aspettative e i ricordi in questo processo? Qual è il rapporto fra esperienza, conoscenza e memoria? Come si fissano e come si richiamano i ricordi? Qual è il rapporto fra coscienza e memoria? Sono alcune delle domande che l'autore si pone in questa ottica e alle quali cerca di rispondere, a partire dall'analisi e valutazione del dialogo-dibattito fra J.-P. Changeux e P. Ricoeur, per apprenderne il linguaggio, capire i problemi sollevati, adattarsi alla complessità della materia. Nel contesto della filosofia della mente, la "lettura" della discussione ripercorre i relativi percorsi attraverso l'analisi delle loro opere, da un lato quelle dello scienziato (sulla struttura e dinamica del cervello, la teoria dell'epigenesi e stabilizzazione selettiva, le speculazioni sull'uomo neuronale e i rilievi antropologici, le teorie della conoscenza e della coscienza, oltre che sulla conoscenza matematica, gli argomenti di estetica ed etica); dall'altro lato quelle del filosofo (dal Cogito riflessivo alla scoperta dell'ermeneutica, dalle eterogenee riflessioni sul Conflitto delle interpretazioni alla grande teoria sulla creatività del linguaggio, le conclusioni teoriche sull'ermeneutica del sé e l'ontologia dell'agire). Il punto di arrivo è la determinazione delle relative posizioni: quella di Changeux tra i neuroscienziati che si occupano di questioni filosofiche, epistemologiche ed etiche, e quella di Ricoeur tra i filosofi che si occupano di neuroscienze. La conclusione della tesi si svolge in un approfondimento teoretico che dalla nozione di "traccia" porta all'esperienza della "memoria", al fine di intrecciare i fili della discussione ripercorsa ed offrire una sponda non forzata al dibattito più ampio. Il tema della memoria è privilegiato per ragioni intrinseche, poiché si tratta di uno dei temi precipui delle neuroscienze, della filosofia della mente e della fenomenologia. A un primo livello viene instaurato su questo punto un confronto epistemologico tra la proposta della neurofenomenologia (Varala, ad esempio) e la posizione tenuta in particolare da Ricoeur rispetto ad essa e al suo "progetto unificante", posizione defilata e, per certi aspetti, criticamente dubbiosa sul fatto che si possa davvero giungere a un "terzo discorso". Si riferisce poi del largo interesse e dei risultati più significativi della riflessione fenomenologica antica e moderna sulla memoria. A un secondo livello vengono illustrati i programmi di ricerca recenti della neurofenomenologia su questo argomento all'interno delle scienze cognitive e si dà conto dei risultati più significativi. Ad un terzo e conclusivo livello, si approfondisce il significato teologico della memoria. Les neurosciences ont aujourd'hui un rôle essentiel dans le débat scientifique et philosophique, ainsi que dans celui des sciences humaines. Elles constituent le défi le plus sérieux aux savoir qu'on a construit jusqu'ici sur les fondements de l'expérience de conscience, attendu qu'elles-mêmes se considèrent capables de répondre à la demande sur l'origine e le fonctionnement de la conscience. Les neurosciences cognitives sont aujourd'hui en train de révolutionner notre conception de l'esprit et des ses fonctions. Elles nous offrent des nouvelles données au sujet de la nature de nos sensations, mémoire, perception et procédés d'abstraction. Aussi l'épistémologie est rentrée pleinement dans le domaine d'une discipline expérimentale, comme plusieurs philosophes (de Hume à Quine) l'ont souhaité. Elle s'est enfin adressée, dans l'expérience actuelle, vers la soi-disant "épistémologie expérimentale", lieu qui met en accord la rigueur expérimentale de la science avec la profondeur et la sophistiquée finesse argumentative de la tradition philosophique. Comment en arrivons-nous à connaître? Quels liens mettons-nous à ce qu'on doit être connu? Pourquoi suivons-nous certaines vois au lieu d'autres? Comment en arrivons-nous à formuler des opinions et à prendre des décisions? Quelle valeur a la connaissance qu'on a déjà acquise par l'élaboration des nouvelles expériences? En particulier, quelle est l'importance des attentes et des souvenirs dans cette évolution? Quel est le rapport entre expérience, connaissance e mémoire? Comment fixons et rappelons-nous nos souvenirs? Quel est le rapport entre conscience et mémoire? Ces sont quelques-unes des questions que l'auteur se pose dans cette perspective et aux quelles essaie de répondre a partir de l'analyse et l'évaluation du dialogue-débat entre fra J.-P. Changeux et P. Ricoeur, pour en apprendre le langage, comprendre les problèmes soulevés, s'adapter à la complexité du sujet. Dans le contexte de la philosophie du cerveau, la "lecture" du dialogue reparcourt les parcours des deux interlocuteurs par l'analyse de leur ouvrages, d'une part celles du savant (sur la structure et la dynamique du cerveau, la théorie de l'épigenèse et stabilisation sélective; les spéculations sur l'homme neuronal et les commentaires anthropologiques; les théories de la connaissance et de la conscience, de même que sur la connaissance de la mathématique, les sujets d'esthétique et étique; d'autre part celles du philosophe (du Cogito réflexif à la découverte de l'herméneutique, de les hétérogènes réflexions sur le Conflit des interprétations à la grande théorie sur la créativité du langage, les conclusions théoriques sur l'herméneutique du soi et l'ontologie de l'agir). L'issue est la determination des relatives positions: celle de Changeux parmi les neuro-scientifiques qui s'occupent de questions philosophiques, épistémologiques et éthiques, et celle de Ricoeur parmi les philosophes qui s'occupent de neurosciences. La conclusion de la thèse se développe dans un approfondissement théorétique que de la notion de "trace" à l'expérience de la "mémoire", à l'effet de nouer les fils de la discussion passée en revue et d'assurer un appui pas forcé au débat plus vaste. Le thème de la mémoire a été choisi pour des raisons intrinsèques, puisqu'il est un des thèmes principaux des neurosciences, de la philosophie de l'esprit et de la phénoménologie. Sur un premier plan épistémologique il est établi une comparaison entre la proposition de la neurophénoménologie (Varala, par exemple) et la position soutenue en particulier par Ricoeur au sujet de ce courant phénoménologique et de son "projet unifiant", position défilée et, à certains égards, critiquement hésitante sur le fait qu'on puisse vraiment en venir à un "troisième discours". On rend compte du grand intérêt et des résultats les plus significatifs de la réflexion phénoménologique ancienne et moderne sur la mémoire. Sur un second plan neurophénoménologique on illustre des plans de recherche récents sur cet argument au-dedans des sciences cognitives et on rend compte des résultats les plus distinctives. Sur un troisième et conclusif plan on approfondit le sens théologique de la mémoire.

The 19th Ion Channel Meeting. September 2008, France.

The annual meeting of the French Ion Channels Society, held on the Mediterranean coast of France, is aimed at gathering the international scientific community working on various aspects of ion channels. In this report of the 19th edition of the meeting, held in September 2008, we summarize selected symposia on aspects of the ion channel field from fundamental to clinical research. The meeting is an opportunity for leading investigators as well as young researchers to present and discuss their recent advances and future challenges in the ion channel field.