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.

Stimulation of ENaC activity by rosiglitazone is PPARγ-dependent and correlates with SGK1 expression increase.

Thiazolidinediones (TZDs) are peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) agonists used to treat type 2 diabetes. TZD treatment induces side effects such as peripheral fluid retention, often leading to discontinuation of therapy. Previous studies have shown that PPARγ activation by TZD enhances the expression or function of the epithelial sodium channel (ENaC) through different mechanisms. However, the effect of TZDs on ENaC activity is not clearly understood. Here, we show that treating Xenopus laevis oocytes expressing ENaC and PPARγ with the TZD rosiglitazone (RGZ) produced a twofold increase of amiloride-sensitive sodium current (Iam), as measured by two-electrode voltage clamp. RGZ-induced ENaC activation was PPARγ-dependent since the PPARγ antagonist GW9662 blocked the activation. The RGZ-induced Iam increase was not mediated through direct serum- and glucocorticoid-regulated kinase (SGK1)-dependent phosphorylation of serine residue 594 on the human ENaC α-subunit but by the diminution of ENaC ubiquitination through the SGK1/Nedd4-2 pathway. In accordance, RGZ increased the activity of ENaC by enhancing its cell surface expression, most probably indirectly mediated through the increase of SGK1 expression.

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

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

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

An external site controls closing of the epithelial Na+ channel ENaC.

Members of the ENaC/degenerin family of ion channels include the epithelial sodium channel (ENaC), acid-sensing ion channels (ASICs) and the nematode Caenorhabditis elegans degenerins. These channels are activated by a variety of stimuli such as ligands (ASICs) and mechanical forces (degenerins), or otherwise are constitutively active (ENaC). Despite their functional heterogeneity, these channels might share common basic mechanisms for gating. Mutations of a conserved residue in the extracellular loop, namely the 'degenerin site' activate all members of the ENaC/degenerin family. Chemical modification of a cysteine introduced in the degenerin site of rat ENaC (betaS518C) by the sulfhydryl reagents MTSET or MTSEA, results in a approximately 3-fold increase in the open probability. This effect is due to an 8-fold shortening of channel closed times and an increase in the number of long openings. In contrast to the intracellular gating domain in the N-terminus which is critical for channel opening, the intact extracellular degenerin site is necessary for normal channel closing, as illustrated by our observation that modification of betaS518C destabilises the channel closed state. The modification by the sulfhydryl reagents is state- and size-dependent consistent with a conformational change of the degenerin site during channel opening and closing. We propose that the intracellular and extracellular modulatory sites act on a common channel gate and control the activity of ENaC at the cell surface.

Amiloride-sensitive epithelial Na+ channel is made of three homologous subunits.

The amiloride-sensitive epithelial sodium channel constitutes the rate-limiting step for sodium reabsorption in epithelial cells that line the distal part of the renal tubule, the distal colon, the duct of several exocrine glands, and the lung. The activity of this channel is upregulated by vasopressin and aldosterone, hormones involved in the maintenance of sodium balance, blood volume and blood pressure. We have identified the primary structure of the alpha-subunit of the rat epithelial sodium channel by expression cloning in Xenopus laevis oocytes. An identical subunit has recently been reported. Here we identify two other subunits (beta and gamma) by functional complementation of the alpha-subunit of the rat epithelial Na+ channel. The ion-selective permeability, the gating properties and the pharmacological profile of the channel formed by coexpressing the three subunits in oocytes are similar to that of the native channel.

Simultaneous Optical Recording in Multiple Cells by Digital Holographic Microscopy of Chloride Current Associated to Activation of the Ligand-Gated Chloride Channel GABA(A) Receptor.

Chloride channels represent a group of targets for major clinical indications. However, molecular screening for chloride channel modulators has proven to be difficult and time-consuming as approaches essentially rely on the use of fluorescent dyes or invasive patch-clamp techniques which do not lend themselves to the screening of large sets of compounds. To address this problem, we have developed a non-invasive optical method, based on digital holographic microcopy (DHM), allowing monitoring of ion channel activity without using any electrode or fluorescent dye. To illustrate this approach, GABA(A) mediated chloride currents have been monitored with DHM. Practically, we show that DHM can non-invasively provide the quantitative determination of transmembrane chloride fluxes mediated by the activation of chloride channels associated with GABA(A) receptors. Indeed through an original algorithm, chloride currents elicited by application of appropriate agonists of the GABA(A) receptor can be derived from the quantitative phase signal recorded with DHM. Finally, chloride currents can be determined and pharmacologically characterized non-invasively simultaneously on a large cellular sampling by DHM.

Modulation of the c-Jun N-terminal kinase activity in the embryonic heart in response to anoxia-reoxygenation: involvement of the Ca2+ and mitoKATP channels.

Whether the response of the fetal heart to ischemia-reperfusion is associated with activation of the c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathway is not known. In contrast, involvement of the sarcolemmal L-type Ca2+ channel (LCC) and the mitochondrial KATP (mitoKATP) channel has been established. This work aimed at investigating the profile of JNK activity during anoxia-reoxygenation and its modulation by LCC and mitoK(ATP) channel. Hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to anoxia (30 min) and reoxygenation (60 min). Using the kinase assay method, the profile of JNK activity in the ventricle was determined every 10 min throughout anoxia-reoxygenation. Effects on JNK activity of the LCC blocker verapamil (10 nM), the mitoK(ATP) channel opener diazoxide (50 microM) and the blocker 5-hydroxydecanoate (5-HD, 500 microM), the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) inhibitor Ru360 (10 microM), and the antioxidant N-(2-mercaptopropionyl) glycine (MPG, 1 mM) were determined. In untreated hearts, JNK activity was increased by 40% during anoxia and peaked fivefold relative to basal level after 30-40 min reoxygenation. This peak value was reduced by half by diazoxide and was tripled by 5-HD. Furthermore, the 5-HD-mediated stimulation of JNK activity during reoxygenation was abolished by diazoxide, verapamil or Ru360. MPG had no effect on JNK activity, whatever the conditions. None of the tested pharmacological agents altered JNK activity under basal normoxic conditions. Thus, in the embryonic heart, JNK activity exhibits a characteristic pattern during anoxia and reoxygenation and the respective open-state of LCC, MCU and mitoKATP channel can be a major determinant of JNK activity in a ROS-independent manner.

Remodelage des canaux potassiques dépendants de l'ATP lors de l'hypertrophie et de l'insuffisance cardiaque

RESUME :Introduction. Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays développés et l'insuffisance cardiaque (IC) est la plus fréquente. Suite à un infarctus, le coeur des patients subit un remodelage ventriculaire pouvant évoluer vers un état d'IC. L'IC se définit comme un état dans lequel le coeur n'est plus capable d'approvisionner suffisamment les organes et cet état s'accompagne souvent de troubles du rythme cardiaque. Le remodelage ventriculaire touche de nombreux gènes codant à la fois pour les voies métaboliques et pour des canaux ioniques favorisant ainsi l'apparition des arythmies responsables de la mort subite des patients atteints d'IC. Comprendre ce passage entre remodelage et IC est crucial afin de pouvoir un jour prévenir l'IC et les complications médicales qui l'accompagnent. Nous nous sommes intéressés aux canaux potassiques dépendants de l'ATP (KATP) car ces canaux ont la capacité de coupler le métabolisme de la cellule à son activité électrique. En effet, les canaux KATP s'ouvrent quand la charge énergétique (rapport ATP/ ADP) de la cellule chute. Dans les cardiomyocytes, l'ouverture des KATP induit une hyperpolarisation de la membrane cellulaire ce qui diminue indirectement la surcharge calcique et de ce fait préserve la cellule. Les canaux KATp sont formés de 4 sous-unités Kir6.x (Kir6.1 ou Kir6.2) formant le pore du canal associées à 4 sous-unités régulatrices SUR. Les propriétés électrophysiologiques ainsi que la sensibilité pharmacologique des canaux KATP dépendent de leur composition et seuls les canaux KATP formés par la sous-unité Kirô.l sont activés par le diazoxyde.Méthodes et résultats. Nous avons d'abord montré dans un modèle in vivo d'IC chez le rat adulte que les sous-unités Kir6.1 et SUR sont surexprimées dans ces conditions pathologiques. Par ailleurs, les cardiomyocytes issus des coeurs infarcis deviennent sensibles au diazoxyde reflétant la surexpression de Kir6.1. Les potentiels d'action qui sont prolongés dans l'IC et qui sont à l'origine d'arythmies majeures sont normalisés par l'ouverture des canaux KATp induite par le diazoxyde. Ainsi, l'ouverture pharmacologique des canaux KATp contribuerait à la cardio-protection. Dans une seconde partie, nous avons déterminé quels étaient les facteurs de transcription responsables de ce changement d'expression des sous-unités formant les KATP. Dans notre modèle, nous avons pu montrer que la surexpression de Kirô.l est due aux facteurs de transcription Fox03 et FoxF2 qui est aussi responsable de la surexpression des sous-unités SUR. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons mis au point un modèle d'IC in vitro en cultivant les cardiomyocytes de rats adultes en présence d'angiotensine II (Angll) ou de TNFa. Ce modèle expérimental nous a non seulement permis de mettre en relation l'importance de L'AnglI et du TNFa sur le remodelage des canaux KATP mais aussi de développer un modèle in vitro présentant les mêmes caractéristiques que le modèle in vivo concernant le remodelage des KATP lors de l'IC. Ce dernier modèle expérimental ouvre des perspectives afin de mieux caractériser les voies de signalisation impliquées dans le remodelage des canaux KATp lors de l'IC.Conclusion. Les canaux KATp subissent un remodelage lors de l'IC et les résultats obtenus montrent le potentiel cardio-protecteur de ces canaux.ABSTRACT :Background and aim. Cardiovascular disease is the leading cause of death in developed countries and heart failure (HF) is the most common. Following myocardial infarction, the heart of the patient undergoes ventricular remodeling which may evolve toward a state of HF. HF is defined as a state in which heart is unable to supply enough blood to organs and this state is often accompanied by cardiac arrhythmias. Ventricular remodeling involves many genes coding for both metabolic enzymes and ion channels. Changes in ion channel expression can promote arrhythmias responsible for sudden death in patients with HF. A better understanding of the transition between remodeling and HF is crucial in order to prevent the complications associated to HF We were interested in ATP-dependent potassium channels (KATp) because they couple cell metabolism to electrical activity of the cell. Indeed, KATP channels open when the energy charge (ratio of ATP / ADP) of the cell collapses. In cardiomyocytes, the opening of KATP channels induces hyper- polanzation of the cell membrane which reduces calcium overload and thereby protects the cell. KATp channels are composed by 4 Kir6.x subumts (Kir6.1 or Kir6.2) forming the pore channel associated with 4 regulatory subunits SUR. The electrophysiological properties as well as pharmacological sensitivity of KATp channels depend on their composition and only KATP channels formed by Kir6.1 subunit are activated by diazoxide.Methods and results. Firstly, using an in vivo model of HF in adult rats, we showed that Kir6.1 and SUR subunits are overexpressed in HF. In addition, cardiomyocytes from post-infarction hearts became sensitive to diazoxide reflecting the overexpression of the Kir6.1 subunit. The opening of KATP by diazoxide tended to reduce the action potential duration (APD) which is extended in HF. This increase in APD is known to be a major source of arrhythmias during HF. Therefore, the opening of KATP channels by diazoxide would be cardio-protective. Secondly, we wanted to determine which transcription factors were responsible for this KATP remodeling. In our model of HF, we showed that overexpression of Kir6.1 is due to the transcription factors Fox03 and FOXF2 which is also responsible for SUR subunits overexpression. Thirdly, we developed an in vitro model of HF by cultivation of adult rat cardiomyocytes in the presence of angiotensin II (Angll) or TNFa. This model is very interesting not only because it underlines the importance of Angll and TNFa in KATp remodeling but also because this in vitro model presents the same KATP remodeling as the in vivo model of HF. These findings show that our in vitro model of HF opens up many possibilities to investigate more precisely the signaling pathways involved in remodeling of the KATP channels in HF.Conclusion. KATP channels undergo remodeling during HF and our results show the cardio¬protective potential of KATP channels in this disease.

BDNF overexpression in mouse hippocampal astrocytes promotes local neurogenesis and elicits anxiolytic-like activities.

The therapeutic activity of selective serotonin (5-HT) reuptake inhibitors (SSRIs) relies on long-term adaptation at pre- and post-synaptic levels. The sustained administration of SSRIs increases the serotonergic neurotransmission in response to a functional desensitization of the inhibitory 5-HT1A autoreceptor in the dorsal raphe. At nerve terminal such as the hippocampus, the enhancement of 5-HT availability increases brain-derived neurotrophic factor (BDNF) synthesis and signaling, a major event in the stimulation of adult neurogenesis. In physiological conditions, BDNF would be expressed at functionally relevant levels in neurons. However, the recent observation that SSRIs upregulate BDNF mRNA in primary cultures of astrocytes strongly suggest that the therapeutic activity of antidepressant drugs might result from an increase in BDNF synthesis in this cell type. In this study, by overexpressing BDNF in astrocytes, we balanced the ratio between astrocytic and neuronal BDNF raising the possibility that such manipulation could positively reverberate on anxiolytic-/antidepressant-like activities in transfected mice. Our results indicate that BDNF overexpression in hippocampal astrocytes produced anxiolytic-/antidepressant-like activity in the novelty suppressed feeding in relation with the stimulation of hippocampal neurogenesis whereas it did not potentiate the effects of the SSRI fluoxetine on these parameters. Moreover, overexpressing BDNF revealed the anxiolytic-like activity of fluoxetine in the elevated plus maze while attenuating 5-HT neurotransmission in response to a blunted downregulation of the 5-HT1A autoreceptor. These results emphasize an original role of hippocampal astrocytes in the synthesis of BDNF, which can act through neurogenesis-dependent and -independent mechanisms to regulate different facets of anxiolytic-like responses.

Ionotropic and metabotropic mechanisms in chemoreception: 'chance or design'?

Chemosensory receptors convert an enormous diversity of chemical signals from the external world into a common language of electrical activity in the brain. Mammals and insects use several families of transmembrane receptor proteins to recognize distinct classes of volatile and non-volatile chemicals that are produced by conspecifics or other environmental sources. A comparison of the signalling mechanisms of mammalian and insect receptors has revealed an unexpected functional distinction: mammals rely almost exclusively on metabotropic ligand-binding receptors, which use second messenger signalling cascades to indirectly activate ion channels, whereas insects use ionotropic receptors, which are gated directly by chemical stimuli, thereby leading to neuronal depolarization. In this review, we consider possible reasons for this dichotomy, taking into account biophysical, cell biological, ecological and evolutionary influences on how information is extracted from chemosensory cues by these animal classes.

ASIC1a oligomerization structure-function of its extracellular vestibule and functional characterization of αS243Pβɣ ENaC

Quatre cristaux du canal ASIC1a ont été publiés et soutiennent une stoechiométrie trimérique. Cependant, ces données contredisant de précédentes analyses fonctionnelles effectuées sur des canaux de la même famille, notre intérêt fut porté sur l'oligomérisation d'ASIC1a. Dans ce sens, un nouvel essai couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec l'utilisation de réactifs sulfhydryls bifonctionnels (crosslinkers) a été mis en place. Le but étant de stabiliser, puis sélectionner les canaux fonctionnels, pour ensuite les séparer selon leur taille par SDS-PAGE. Grâce à cette technique, nous avons démontré que le complexe stabilisé a une taille coïncidant avec une organisation tétramérique. En plus de son oligomérisation, le chemin emprunté par les ions pour traverser le canal n'est pas clairement défini dans ces structures. De ce fait, utilisant une approche électrophysiologique, nous avons étudié le lien entre la structure et la fonction du vestibule extracellulaire d'ASIC1a. Dans ce but, nous nous sommes intéressés l'accessibilité de cystéines spécifiques localisées dans ce vestibule pour des réactifs méthanethiosulfonates (MTS). Ainsi, nous avons pu corréler les cinétiques de modification de ces cystéines par les MTS avec les effets sur le courant sodique, et donc avoir des informations supplémentaires sur la voie empruntée par les ions. De plus, la simulation informatique de liaison de ces réactifs illustre le remplissage total de ce vestibule. Fonctionnellement, cette interaction ne perturbe pas le passage de ions, c'est pourquoi il nous apparaît probable que le vestibule présente une taille plus large que celle illustrée par les cristaux. Dans un deuxième temps, notre intérêt fut porté sur ENaC. Ce canal est composé des trois sous-unités (a, ß et y) et est exprimé dans divers épithéliums, dont les tubules des reins. Il participe à l'homéostasie sodique et est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la Vasopressine, mais également par des sérines protéases ou le Na+. Nous avons étudié la répercussion fonctionnelle de la mutation aS243P, découverte chez un nouveau-né prématuré atteint de pseudohypoaldostéronisme de type 1. Cette maladie autosomale récessive se caractérise, généralement, par une hyponatrémie liée à d'importantes pertes de sel dans les urines, une hyperkaliémie, ainsi qu'un niveau élevé d'aldostérone. Tout d'abord aucune des expériences biochimiques et électrophysiologiques n'a pu démontrer un défaut d'expression ou une forte diminution de l'activité soutenant les données cliniques. Cependant, en challengeant aS243PßyENaC avec une forte concentration de Na+ externe, une hypersensibilité de canal fut observée. En effet, ni les phénomènes régulateurs de « feedback inhibition » ou de « Na+ self-inhibition » n'étaient semblables au canal sauvage. De ce fait, ils apparaissaient exacerbés en présence de la mutation, amenant ainsi à une diminution de la réabsorption de Na+. Ceci corrobore entièrement l'hyponatrémie diagnostiquée. Le rein d'un prématuré étant immature, la quantité de Na+ atteignant la partie distale du néphron est plus élevée, du fait que les autres mécanismes de réabsorption en amont ne sont probablement pas encore en place. Cette hypothèse est renforcée par l'existence d'un frère présentant la même mutation, mais qui, né à terme, ne présentait aucun signe d'hyponatrémie. - The main topic of my thesis is the structure-function relationship of the ENaC/Deg family of ion channels, namely the Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a and the Epithelial Na Channel ENaC. The primary part of this research is dedicated to the structure of ASIC1a. Four channel crystals have been published, which support a trimeric stoichiometry, although these data contradict previous functional experiments on other ENaC/Deg members. We are therefore interested in ASIC1a oligomerization and have set up a new assay combining the Substituted- Cysteine Accessibility Method (SCAM) with Afunctional sulfhydryl reagents (crosslinkers) allowing its study. The aim was to first stabilize the channels, then select those that are functional and then resolve them according to their size on SDS-PAGE. We demonstrated that the stabilized complex has a molecular weight corresponding to a tetrameric stoichiometry. In addition to our interest in the oligomerization of the ENaC/Deg family of ion channels, we also wanted to investigate the thus far undefined way of permeation for these channels. Therefore, taking the advantage of a more electrophysiological approach, we studied the accessibility of specific cysteines for methanethiosulfonate reagents (MTS) and were able to correlate the MTS association kinetics on cysteine residues with Na+ currents. These results have given us an insight into ion permeation and our functional evidence indicates that the extracellular is larger than that depicted by the crystal structures. As a side project, we focused on ENaC, which is made up of three subunits (a, ß and y) and is expressed in various epithelia, especially in the distal nephron of the kidneys. It plays a role in Na+ homeostasis and is essentially regulated by hormones via aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases or Na+. We have studied the functional impact of the aS243P mutation, discovered in a premature baby suffering from pseudohypoaldosteronism of type 1. This autosomal recessive disease is characterized by hyponatremia, hyperkalemia and high aldosterone levels. Firstly, neither biochemical nor electrophysiological experiments indicated an expression defect or a strong decrease in activity. However, challenging aS243PßyENaC with increased external Na+ concentration showed channel hypersensitivity. Indeed, both the "feedback inhibition" and the "Na+ self-inhibition" regulatory mechanisms are impaired, leading to a decrease in Na+ reabsorption, entirely supports the diagnosis. The kidneys in preterm infants are immature and Na+ levels reaching the distal nephron are higher than normally observed. We hypothesize that the upstream reabsorption machinery is unlikely to be sufficiently matured and this assumption is supported by an asymptomatic sibling carrying the same mutation, but born at term. - La cellule, unité fonctionnelle du corps humain, est délimitée par une membrane plasmique servant de barrière biologique entre les milieux intra et extracellulaires. Une communication entre cellules est indispensable pour un fonctionnement adéquat. Sa survie dépend, entre autres, du maintien de la teneur en ions dans chacun des milieux qui doivent pouvoir être réabsorbés, ou sécrétés, selon les besoins. Les protéines insérées dans la membrane forment un canal et sont un moyen de communication permettant spécifiquement à des ions tel que le sodium (Na+) de traverser. Le Na+ se trouve dans la plupart des aliments et le sel, et est spécifiquement réabsorbé au niveau des reins grâce au canal sodique épithélial ENaC. Cette réabsorption se fait de l'urine primaire vers l'intérieur de la cellule, puis est transporté vers le sang. Pour maintenir un équilibre, une régulation de ce canal est nécessaire. En effet, des dysfonctionnements impliquant la régulation ou l'activité d'ENaC lui-même sont à l'origine de maladies telles que la mucoviscidose, l'hypertension ou encore, le pseudohypoaldostéronisme (PHA). Cette maladie est caractérisée, notamment, par d'importantes pertes de sel dans les urines. Des pédiatres ont diagnostiqué un PHA chez un nouveau-né, ce dernier présentant une modification du canal ENaC, nous avons recréé cette protéine afin d'étudier l'impact de ce changement sur son activité. Nous avons démontré que la régulation d'ENaC était effectivement perturbée, conduisant ainsi à une forte réduction de la réabsorption sodique. Afin de développer des molécules capables de moduler l'activité de protéines. Il est nécessaire d'en connaître la structure. Celle du canal sodique sensible à l'acidification ASIC1, un canal cousin d'ENaC, est connue. Ces données structurales contredisant cependant les analyses fonctionnelles, nous nous sommes penchés une nouvelle fois sur ASIC1. Une protéine est une macromolécule biologique composée d'une chaîne d'acides aminés (aa). De l'enchaînement d'aa à la protéine fonctionnelle, quatre niveaux de structuration existent. Chaque aa donne une indication quant au repliement et plus particulièrement la cystéine. Arborant un groupe sulfhydryle (SH) capable de former une liaison spécifique et stable avec un autre SH, celle-ci est souvent impliquée dans la structure tridimensionnelle de la protéine. Ce type de liaison intervient également dans la stabilisation de la structure quaternaire, qui est l'association de plusieurs protéines identiques (homomère), ou pas (hétéromère). Dans cette partie, nous avons remplacé des aa par des cystéines à des endroits spécifiques. Le but était de stabiliser plusieurs homomères d'ASICl ensemble avec des réactifs créant des ponts entre deux SH. Ainsi, nous avons pu déterminer le nombre de protéines ASIC1 participant à la formation d'un canal fonctionnel. Nos résultats corroborent les données fonctionnelles soutenant un canal tétramérique. Nous avons également étudié l'accessibilité de ces nouvelles cystéines afin d'obtenir des informations supplémentaires sur la structure du chemin emprunté par le Na+ à travers ASIC1 et plus particulièrement du vestibule extracellulaire.

Direct visualization of the trimeric structure of the ASIC1a channel, using AFM imaging.

There has been confusion about the subunit stoichiometry of the degenerin family of ion channels. Recently, a crystal structure of acid-sensing ion channel (ASIC) 1a revealed that it assembles as a trimer. Here, we used atomic force microscopy (AFM) to image unprocessed ASIC1a bound to mica. We detected a mixture of subunit monomers, dimers and trimers. In some cases, triple-subunit clusters were clearly visible, confirming the trimeric structure of the channel, and indicating that the trimer sometimes disaggregated after adhesion to the mica surface. This AFM-based technique will now enable us to determine the subunit arrangement within heteromeric ASICs.

Molecular determinants of desensitization in an ENaC/degenerin channel.

Epithelial Na(+) channel (ENaC)/degenerin family members are involved in mechanosensation, blood pressure control, pain sensation, and the expression of fear. Several of these channel types display a form of desensitization that allows the channel to limit Na(+) influx during prolonged stimulation. We used site-directed mutagenesis and chemical modification, functional analysis, and molecular dynamics simulations to investigate the role of the lower palm domain of the acid-sensing ion channel 1, a member of the ENaC/degenerin family. The lower palm domains of this trimeric channel are arranged around a central vestibule, at ∼20 Å above the plasma membrane and are covalently linked to the transmembrane channel parts. We show that the lower palm domains approach one another during desensitization. Residues in the palm co-determine the pH dependence of desensitization, its kinetics, and the stability of the desensitized state. Mutations of palm residues impair desensitization by preventing the closing movement of the palm. Overexpression of desensitization-impaired channel mutants in central neurons allowed--in contrast to overexpression of wild type--a sustained signaling response to rapid pH fluctuations. We identify and describe here the function of an important regulatory domain that most likely has a conserved role in ENaC/degenerin channels.

High sensitivity of immature GABAergic neurons to blockers of voltage-gated calcium channels.

The involvement of voltage-gated calcium channels in the survival of immature CNS neurons was studied in aggregating brain cell cultures by examining cell type-specific effects of various channel blockers. Nifedipine (10 microM), a specific blocker of L-type calcium channels, caused a pronounced and irreversible decrease of glutamic acid decarboxylase activity, whereas the activity of choline acetyltransferase was significantly less affected. Flunarizine (1-10 microM, a relatively unspecific ion channel blocker) elicited similar effects, that were attenuated by NMDA. The glia-specific marker enzymes, glutamine synthetase and 2',3'-cyclic nucleotide 3'-phosphohydrolase, were affected only after treatment with high concentrations of nifedipine (50 microM) or NiCl2 (100 microM, shown to block T-type calcium channels). Nifedipine (50 microM), NiCl2 (100 microM), and flunarizine (5 microM) also caused a significant increase in the soluble nucleosome concentration, indicating increased apoptotic cell death. This effect was prevented by cycloheximide (1 microM). Furthermore, the combined treatment with calcicludine (10 nM, blocking L-type calcium channels) and funnel-web spider toxin-3.3 (100 nM, blocking T-type channels) also caused a significant increase in free nucleosomes as well as a decrease in glutamic acid decarboxylase activity. In contrast, cell viability was not affected by peptide blockers specific for N-, P-, and/or Q-type calcium channels. Highly differentiated cultures showed diminished susceptibility to nifedipine and flunarizine. The present data suggest that the survival of immature neurons, and particularly that of immature GABAergic neurons, requires the sustained entry of Ca2+ through voltage-gated calcium channels.