Purification and characterization of (Na+ + K+)-ATPase from toad kidney

This report describes the partial purification and the characteristics of (Na+ + K+)-ATPase (ATP phosphohydrolase, EC 3.6.1.3) from an amphibian source. Toad kidney microsomes were solubilized with sodium deoxycholate and further purified by sodium dodecyl sulphate treatment and sucrose gradient centrifugation, according to the methods described by Lane et al. [(1973) J. Biol. Chem. 248, 7197--7200], Jørgensen [(1974) Biochim. Biophys. Acta 356, 36--52] and Hayashi et al. [(1977) Biochim. Biophys. Acta 482, 185--196]. (Na+ + K+)-ATPase preparations with specific activities up to 1000 mumol Pi/mg protein per h were obtained. Mg2+-ATPase only accounted for about 2% of the total ATPase activity. Sodium dodecyl sulphate-polyacrylamide gel electrophoresis revealed three major protein bands with molecular weights of 116 000, 62 000 and 26 000. The 116 000 dalton protein was phosphorylated by [gamma-32P]ATP in the presence of sodium but not in the presence of potassium. The 62 000 dalton component stained for glycoproteins. The Km for ATP was 0.40 mM, for Na+ 12.29 mM and for K+ 1.14 mM. The Ki for ouabain was 35 micron. Temperature activation curves showed two activity peaks at 37 degrees C and at 50 degrees C. The break in the Arrhenius plot of activity versus temperature appeared at 15 degrees C.

Hydrophobic labeling of (Na+,K+)-ATPase: further evidence that the beta subunit is embedded in the membrane bilayer.

O-Hexanoyl-3,5-diiodo-N-(4-azido-2-nitro-phenyl)tyramine has been used after photochemical conversion into the reactive nitrene to label (Na+,K+)-ATPase from Bufo marinus toad kidney. Immunochemical evidence indicates that the reagent labels both subunits of the enzyme in partially purified form as well as in microsomal membranes. These results support the view that the glycoprotein subunit, like the catalytic subunit, possesses hydrophobic domains by which it is integrated into the plasma membrane.

FXYD7 is a brain-specific regulator of Na,K-ATPase alpha 1-beta isozymes.

Recently, corticosteroid hormone-induced factor (CHIF) and the gamma-subunit, two members of the FXYD family of small proteins, have been identified as regulators of renal Na,K-ATPase. In this study, we have investigated the tissue distribution and the structural and functional properties of FXYD7, another family member which has not yet been characterized. Expressed exclusively in the brain, FXYD7 is a type I membrane protein bearing N-terminal, post-translationally added modifications on threonine residues, most probably O-glycosylations that are important for protein stabilization. Expressed in Xenopus oocytes, FXYD7 can interact with Na,K-ATPase alpha 1-beta 1, alpha 2-beta 1 and alpha 3-beta 1 but not with alpha-beta 2 isozymes, whereas, in brain, it is only associated with alpha 1-beta isozymes. FXYD7 decreases the apparent K(+) affinity of alpha 1-beta 1 and alpha 2-beta 1, but not of alpha 3-beta1 isozymes. These data suggest that FXYD7 is a novel, tissue- and isoform-specific Na,K-ATPase regulator which could play an important role in neuronal excitability.

Access of extracellular cations to their binding sites in Na,K-ATPase: role of the second extracellular loop of the alpha subunit.

Na,K-ATPase, the main active transport system for monovalent cations in animal cells, is responsible for maintaining Na(+) and K(+) gradients across the plasma membrane. During its transport cycle it binds three cytoplasmic Na(+) ions and releases them on the extracellular side of the membrane, and then binds two extracellular K(+) ions and releases them into the cytoplasm. The fourth, fifth, and sixth transmembrane helices of the alpha subunit of Na,K-ATPase are known to be involved in Na(+) and K(+) binding sites, but the gating mechanisms that control the access of these ions to their binding sites are not yet fully understood. We have focused on the second extracellular loop linking transmembrane segments 3 and 4 and attempted to determine its role in gating. We replaced 13 residues of this loop in the rat alpha1 subunit, from E314 to G326, by cysteine, and then studied the function of these mutants using electrophysiological techniques. We analyzed the results using a structural model obtained by homology with SERCA, and ab initio calculations for the second extracellular loop. Four mutants were markedly modified by the sulfhydryl reagent MTSET, and we investigated them in detail. The substituted cysteines were more readily accessible to MTSET in the E1 conformation for the Y315C, W317C, and I322C mutants. Mutations or derivatization of the substituted cysteines in the second extracellular loop resulted in major increases in the apparent affinity for extracellular K(+), and this was associated with a reduction in the maximum activity. The changes produced by the E314C mutation were reversed by MTSET treatment. In the W317C and I322C mutants, MTSET also induced a moderate shift of the E1/E2 equilibrium towards the E1(Na) conformation under Na/Na exchange conditions. These findings indicate that the second extracellular loop must be functionally linked to the gating mechanism that controls the access of K(+) to its binding site.

Roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development

RESUME Les gènes des PPARs jouent des rôles importants dans la régulation du métabolisme énergétique, lipidique et glucidique. Le présent travail, caractérise et analyse les défauts placentaires responsables de la mort embryonnaire des souris mutantes pour PPARβ et pour PPARγ, entre le jour E9.5 et E10.5. Les placentas issus d'embryons PPARP présentent un sévère retard de croissance, alors que les placentas mutants PPARγ montrent de graves défauts vasculaires. Nous montrons que les placentas issus d'embryons PPARβ-/-, au jour E9.5 présentent une réduction prononcée de la couche de cellules géantes, associée à une diminution des niveaux de protéines exprimées par les cellules géantes, tel que le placenta lactogène-I et la « proliferin ». Par ailleurs, nous montrons que le traitement d'un lignée trophoblastique par un ligand spécifique de PPARP augmente considérablement leur différentiation en cellules géantes. Cette différentiation dépendante de la voie de signalisation P13-kinase, s'accompagne d'une élévation de l'expression de l'ADRP, une protéine de structure associée aux vésicules lipidiques. Ainsi nous démontrons que PPAR5 est un régulateur majeur de la différentiation des cellules géantes, lesquelles sont primordiales aussi bien pour l'établissement de la structure placentaire, que pour la fonction endocrine. Par contre, les placentas PPARγ-/- présentent un défaut de vascularisation. Le niveau d'une protéine anti-angiogénique, la « proliferin-related protein », est très basse et ne peut pas contre-balancer l'élévation normale de la protéine pro-angiogénique « proliferin ». La formation des vaisseaux se trouve alors altérée. Ainsi, PPARγ constitue un régulateur majeur de l'activité anti-angiogénique. En conclusion, ce travail fournit de nouveaux éléments sur le rôle complémentaires de PPARβet PPARγ dans les événements complexes qui régissent le développement placentaire. SUMMARY Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear hormone receptors involved in energy homeostasis and growth. Herein, we characterize the placental defects that cause embryonic lethality around E9.5/E10.5 in PPARβ- and in PPARγ-deficient mouse lines. Most but not all PPARβ-null mutants die around E9.5/E10.5 with severe growth retardation. The placentas from PPARβ-/- embryos at E9.5 exhibit a strongly reduced giant cell layer, associated with reduced levels of proteins expressed by giant cells such as Placental lactogen-I and Proliferin. Ectopic treatment of a rat trophoblast cell line with PPARβ ligand markedly accelerated PI3 kinase-dependent giant cell differentiation. In addition, we demonstrate that ADRP, a pen-related lipid droplet-bound protein, is up-regulated by PPARβ in differentiated Rcho-1 cells. These results indicate that PPARβ is a crucial regulator of the differentiation secondary giant cells, which play a major role in the establishment of the placental structure as well as an important endocrine function. In contrast, the main alteration of the PPARγ-null placentas concerns the vasculogenesis. We show that in these placentas, the level of the anti-angiogenic proliferin-related protein is very low, and cannot balance the normal elevation of the pro-angiogenic proliferin expression, leading to the defective placental vessel formation. Consistently, the dramatic increase of PPARγ expression in late stage of gestation in wild-type mice is likely a major regulator of the anti-angiogenic activity, particularly important at the end of the pregnancy. This work emphasizes the important and complementary roles of PPARβ and PPARγ in mouse placental development and provides new tools for understanding the complex regulatory events that governs placental development and function. Understanding the function of PPARβ and PPARγ are of crucial interest with respect to human placental development and associated pathologies.

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

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

Biotic effects of the Chicxulub impact, K-T catastrophe and sea level change in Texas

Biotic effects of the Chicxulub impact, the K-T event and sea level change upon planktic foraminifera were evaluated in a new core and outcrops along the Brazos River, Texas, about 1000 km from the Chicxulub impact crater on Yucatan, Mexico. Sediment deposition occurred in a middle neritic environment that shallowed to inner neritic depths near the end of the Maastrichtian. The sea level fall scoured submarine channels, which were infilled by a sandstone complex with reworked Chicxulub impact spherules and clasts with spherules near the base. The original Chicxulub impact ejecta layer was discovered 45-60 cm below the sandstone complex, and predates the K-T mass extinction by about 300,000 years. Results show that the Chicxulub impact caused no species extinctions or any other significant biotic effects. The subsequent sea level fall to inner neritic depth resulted in the disappearance of all larger (>150 mu m) deeper dwelling species creating a pseudo-mass extinction and a survivor assemblage of small surface dwellers and low oxygen tolerant taxa. The K-T boundary and mass extinction was identified 40-80 cm above the sandstone complex where all but some heterohelicids, hedbergellids and the disaster opportunistic guembelitfids went extinct, coincident with the evolution of first Danian species and the global delta(13)C shift. These data reveal that sea level changes profoundly influenced marine assemblages in near shore environments, that the Chicxulub impact and K-T mass extinction are two separate and unrelated events, and that the biotic effects of this impact have been vastly overestimated. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The gamma subunit is a specific component of the Na,K-ATPase and modulates its transport function.

The role of small, hydrophobic peptides that are associated with ion pumps or channels is still poorly understood. By using the Xenopus oocyte as an expression system, we have characterized the structural and functional properties of the gamma peptide which co-purifies with Na,K-ATPase. Immuno-radiolabeling of epitope-tagged gamma subunits in intact oocytes and protease protection assays show that the gamma peptide is a type I membrane protein lacking a signal sequence and exposing the N-terminus to the extracytoplasmic side. Co-expression of the rat or Xenopus gamma subunit with various proteins in the oocyte reveals that it specifically associates only with isozymes of Na,K-ATPase. The gamma peptide does not influence the formation and cell surface expression of functional Na,K-ATPase alpha-beta complexes. On the other hand, the gamma peptide itself needs association with Na,K-ATPase in order to be stably expressed in the oocyte and to be transported efficiently to the plasma membrane. Gamma subunits do not associate with individual alpha or beta subunits but only interact with assembled, transport-competent alpha-beta complexes. Finally, electrophysiological measurements indicate that the gamma peptide modulates the K+ activation of Na,K pumps. These data document for the first time the membrane topology, the specificity of association and a potential functional role for the gamma subunit of Na,K-ATPase.