Vesicular transport of d-serine in astrocytes

The concept of tripartite synapse suggests that astrocytes make up a functional synapse with pre- and postsynaptic neuronal elements to modulate synaptic transmission through the regulated release of neuromodulators called gliotransmitters. Release of gliotransmitters such as glutamate or D-serine has been shown to depend on Ca21-dependent exocytosis. However, the origin (cytosolic versus vesicular) of the released gliotransmitter is still a matter of debate. The existence of Ca21-regulated exocytosis in astrocytes has been questioned mostly because the nature of secretory organelles which are loaded with gliotransmitters is unknown. Here we show the existence of a population of vesicles that uptakes and stores glutamate and D-serine in astrocytes which are present in situ. Immunoisolated glial organelles expressing synaptobrevin 2 (Sb2) display morphological and biochemical features very similar to synaptic vesicles. We demonstrate that these organelles not only contain and uptake glutamate but also display a glia-specific transport activity for D-serine. Furthermore, we report that the uptake of D-serine is energized by a H1-ATPase present on the immunoisolated vesicles and that cytosolic chloride ions modulate the uptake of D-serine. Finally, we show that serine racemase (SR), the synthesizing enzyme for D-serine, is anchored to the membrane of glial organelles allowing a local and efficient concentration of the gliotransmitter to be transported. We conclude that vesicles in astrocytes do exist with the goal to store and release D-serine, glutamate and most likely other neuromodulators.

Epigenetic regulation of histone H3 serine 10 phosphorylation status by HCF-1 proteins in C. elegans and mammalian cells.

BACKGROUND: The human herpes simplex virus (HSV) host cell factor HCF-1 is a transcriptional coregulator that associates with both histone methyl- and acetyltransferases, and a histone deacetylase and regulates cell proliferation and division. In HSV-infected cells, HCF-1 associates with the viral protein VP16 to promote formation of a multiprotein-DNA transcriptional activator complex. The ability of HCF proteins to stabilize this VP16-induced complex has been conserved in diverse animal species including Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans suggesting that VP16 targets a conserved cellular function of HCF-1. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: To investigate the role of HCF proteins in animal development, we have characterized the effects of loss of the HCF-1 homolog in C. elegans, called Ce HCF-1. Two large hcf-1 deletion mutants (pk924 and ok559) are viable but display reduced fertility. Loss of Ce HCF-1 protein at reduced temperatures (e.g., 12 degrees C), however, leads to a high incidence of embryonic lethality and early embryonic mitotic and cytokinetic defects reminiscent of mammalian cell-division defects upon loss of HCF-1 function. Even when viable, however, at normal temperature, mutant embryos display reduced levels of phospho-histone H3 serine 10 (H3S10P), a modification implicated in both transcriptional and mitotic regulation. Mammalian cells with defective HCF-1 also display defects in mitotic H3S10P status. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: These results suggest that HCF-1 proteins possess conserved roles in the regulation of cell division and mitotic histone phosphorylation.

Expression of genes encoding cytotoxic cell-associated serine proteases in thymocytes.

A family of homologous serine esterases designated granzyme A-H and the pore-forming protein perforin are present in cytoplasmic granules of mature peripheral cytolytic T lymphocytes and natural killer cells. In vivo, the majority of cytotoxic T cells containing these granule-associated proteins are of the CD4-CD8+ phenotype. It is generally assumed that these cells are derived from immature CD4-CD8- thymocytes. However, the precise intrathymic differentiation steps leading to functionally mature cytotoxic T cells are unclear. Thus we decided to analyze the expression of genes in the thymus which are preferentially expressed in mature cytotoxic cells, i.e. granzyme A, granzyme B, and perforin. In situ hybridization on tissue sections revealed the expression of genes coding for granzyme A and granzyme B in the thymus. No evidence was found, however, for thymocytes expressing the perforin gene. Granzyme A and granzyme B mRNA positive cells in the thymus are almost exclusively CD4-CD8- thymocytes, particularly of the CD3- IL2R- phenotype.

CDK9 regulates AR promoter selectivity and cell growth through serine 81 phosphorylation.

Previously we determined that S81 is the highest stoichiometric phosphorylation on the androgen receptor (AR) in response to hormone. To explore the role of this phosphorylation on growth, we stably expressed wild-type and S81A mutant AR in LHS and LAPC4 cells. The cells with increased wild-type AR expression grow faster compared with parental cells and S81A mutant-expressing cells, indicating that loss of S81 phosphorylation limits cell growth. To explore how S81 regulates cell growth, we tested whether S81 phosphorylation regulates AR transcriptional activity. LHS cells stably expressing wild-type and S81A mutant AR showed differences in the regulation of endogenous AR target genes, suggesting that S81 phosphorylation regulates promoter selectivity. We next sought to identify the S81 kinase using ion trap mass spectrometry to analyze AR-associated proteins in immunoprecipitates from cells. We observed cyclin-dependent kinase (CDK)9 association with the AR. CDK9 phosphorylates the AR on S81 in vitro. Phosphorylation is specific to S81 because CDK9 did not phosphorylate the AR on other serine phosphorylation sites. Overexpression of CDK9 with its cognate cyclin, Cyclin T, increased S81 phosphorylation levels in cells. Small interfering RNA knockdown of CDK9 protein levels decreased hormone-induced S81 phosphorylation. Additionally, treatment of LNCaP cells with the CDK9 inhibitors, 5,6-dichloro-1-β-D-ribofuranosylbenzimidazole and Flavopiridol, reduced S81 phosphorylation further, suggesting that CDK9 regulates S81 phosphorylation. Pharmacological inhibition of CDK9 also resulted in decreased AR transcription in LNCaP cells. Collectively these results suggest that CDK9 phosphorylation of AR S81 is an important step in regulating AR transcriptional activity and prostate cancer cell growth.

Role of the serine protease CAP1/Prss8 and its inhibitor in the skin

The skin is the largest organ of the human body and protects it from water loss and mechanical damage. This barrier function is mainly provided by the epidermis, the outermost layer of the skin. This balance is regulated by several factors, including serine proteases, serine protease inhibitors and protease target substrates, such as receptors. Any mutations or alterations in the expression of these factors can lead to skin diseases. One of the players in this skin balance is the serine protease CAP1/Prss8, whose over-expression causes ichthyosis, hyperplasia and inflammation. This phenotype can be completely restored in the absence of PAR2 (protease-activated receptor 2) (Frateschi et al., 2011). During my thesis, I demonstrated that CAP1/Prss8 induces skin disease even if its catalytic triad is mutated. Additionally, I demonstrated an inhibitory effect of the serine protease-inhibitor nexin-1 (also called serpinE2, PN-1) on CAP1/Prss8, since nexin-1 negated the effects of both catalytically active and inactive CAP1/Prss8 over-expression. Indeed, CAP1/Prss8 and nexin-1 interact in vitro, but independent of the catalytic triad of CAP1/Prss8. These results demonstrate a novel mechanism of interaction between CAP1/Prss8 and nexin-1, and indicate that the catalytic triad of CAP1/Prss8 is dispensable for nexin-1 inhibition and PAR2 activation. These observations in vivo and in vitro could be helpful to specifically target drugs to treat ichthyoses-like skin diseases, like e.g. atopic dermatitis. - La peau est l'un des organes les plus importants du corps humain au regard de sa surface et de sa masse. Ses principales fonctions sont de nous protéger contre l'entrée de pathogènes et de former une barrière imperméable qui empêche la déshydratation. Ces fonctions sont principalement assurées par l'épiderme, la couche la plus superficielle de la peau, et garanties par plusieurs "acteurs", comme par exemple les sérine-protéases, les inhibiteurs de sérine- protéases ou les protéases cibles comme les récepteurs. Toute mutation ou altération de l'un de ces "acteurs" peut aboutir au déclanchement de maladies de la peau. Pour mieux comprendre les conséquences biologiques résultant d'une altération d'expression de CAP1/Prss8, une serine-protéase normalement exprimée au niveau de l'épiderme, nous avons généré des souris transgéniques surexprimant CAP1/Prss8 au niveau de la peau. Ces dernières présentent une peau squameuse, un épiderme hypertrophique, des processus inflammatoires et des prurits conséquents. Ces symptômes disparaissent si le gène du récepteur PAR2, qui régule l'activité des cellules de l'épiderme, est inactivé. Dans le but de vérifier si le phénotype observé chez les souris CAP1/Prss8 résulte de l'action du site catalytique de CAP1/Prss8, nous avons généré des souris CAP1/Prss8 chez lesquelles nous avons muté les trois acides aminés du site catalytique en alanine. Etonnement ces souris ont développé les mêmes problèmes de peau que les souris CAP1/Prss8, démontrant que l'effet de CAP1/Prss8, dans ce modèle animal, n'est pas lié à son site catalytique. Nous avons également montré in vivo, que la sérine-protéase nexin-1 (aussi appelée SERPINE2, PN-1) est capable d'exercer un effet inhibiteur sur CAP1/Prss8 indépendamment de l'activité du site catalytique de CAP1/Prss8. De plus, nous avons remarqué in vitro que CAP1/Prss8 et nexin-1 interagissent bien que la triade catalytique de CAP1/Prss8 soit enzymatiquement inactivée. Ces observations, in vivo et in vitro, pourraient être utilisées dans l'élaboration de médicaments contenant nexin-1, pour le traitement de pathologies de la peau telles l'ichthyose et la dermatite atopique.

Changes in D-serine levels and localization during postnatal development of the rat vestibular nuclei.

The patterns of development of the vestibular nuclei (VN) and their main connections involving glutamate neurotransmission offer a good model for studying the function of the glial-derived neuromodulator D-serine in synaptic plasticity. In this study we show that D-serine is present in the VN and we analyzed its distribution and the levels of expression of serine racemase and D-amino acid oxidase (D-AAO) at different stages of postnatal (P) development. From birth to P21, high levels of D-serine were detected in glial cells and processes in all parts of the VN. This period corresponded to high expression of serine racemase and low expression of D-AAO. On the other hand, in the mature VN D-serine displayed very low levels and was mainly localized in neuronal cell bodies and dendrites. This drop of D-serine in adult stages corresponded to an increasing expression of D-AAO at mature stages. High levels of glial D-serine during the first 3 weeks of postnatal development correspond to an intense period of plasticity and synaptogenesis and maturation of VN afferents, suggesting that D-serine could be involved in these phenomena. These results demonstrate for the first time that changes in D-serine levels and distribution occur during postnatal development in the central nervous system. The strong decrease of D-serine levels and the glial-to-neuronal switch suggests that D-serine may have distinct functional roles depending on the developmental stage of the vestibular network.

Lack of the alanine-serine-cysteine transporter 1 causes tremors, seizures, and early postnatal death in mice.

The Na(+)-independent alanine-serine-cysteine transporter 1 (Asc-1) is exclusively expressed in neuronal structures throughout the central nervous system (CNS). Asc-1 transports small neutral amino acids with high affinity especially for D-serine and glycine (K(i): 8-12 microM), two endogenous glutamate co-agonists that activate N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors through interacting with the strychnine-insensitive glycine binding-site. By regulating D-serine (and possibly glycine) levels in the synaptic cleft, Asc-1 may play an important role in controlling neuronal excitability. We generated asc-1 gene knockout (asc-1(-/-)) mice to test this hypothesis. Behavioral phenotyping combined with electroencephalogram (EEG) recordings revealed that asc-1(-/-) mice developed tremors, ataxia, and seizures that resulted in early postnatal death. Both tremors and seizures were reduced by the NMDA receptor antagonist MK-801. Extracellular recordings from asc-1(-/-) brain slices indicated that the spontaneous seizure activity did not originate in the hippocampus, although, in this region, a relative increase in evoked synaptic responses was observed under nominal Mg(2+)-free conditions. Taken together with the known neurochemistry and neuronal distribution of the Asc-1 transporter, these results indicate that the mechanism underlying the behavioral hyperexcitability in mutant mice is likely due to overactivation of NMDA receptors, presumably resulting from elevated extracellular D-serine. Our study provides the first evidence to support the notion that Asc-1 transporter plays a critical role in regulating neuronal excitability, and indicate that the transporter is vital for normal CNS function and essential to postnatal survival of mice.

Storage and uptake of D-serine into astrocytic synaptic-like vesicles specify gliotransmission.

Glial cells are increasingly recognized as active players that profoundly influence neuronal synaptic transmission by specialized signaling pathways. In particular, astrocytes have been shown recently to release small molecules, such as the amino acids l-glutamate and d-serine as "gliotransmitters," which directly control the efficacy of adjacent synapses. However, it is still controversial whether gliotransmitters are released from a cytosolic pool or by Ca(2+)-dependent exocytosis from secretory vesicles, i.e., by a mechanism similar to the release of synaptic vesicles in synapses. Here we report that rat cortical astrocytes contain storage vesicles that display morphological and biochemical features similar to neuronal synaptic vesicles. These vesicles share some, but not all, membrane proteins with synaptic vesicles, including the SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) synaptobrevin 2, and contain both l-glutamate and d-serine. Furthermore, they show uptake of l-glutamate and d-serine that is driven by a proton electrochemical gradient. d-Serine uptake is associated with vesicle acidification and is dependent on chloride. Whereas l-serine is not transported, serine racemase, the synthesizing enzyme for d-serine, is anchored to the membrane of the vesicles, allowing local generation of d-serine. Finally, we reveal a previously unexpected mutual vesicular synergy between d-serine and l-glutamate filling in glia vesicles. We conclude that astrocytes contain vesicles capable of storing and releasing d-serine, l-glutamate, and most likely other neuromodulators in an activity-dependent manner.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Functional analysis of a missense mutation in the serine protease inhibitor SPINT2 associated with congenital sodium diarrhea.

Membrane-bound serine proteases play important roles in different biological processes. Their regulation by endogenous inhibitors is poorly understood. A Y163C mutation in the SPINT2 gene encoding the serine protease inhibitor Hepatocyte Growth Factor Inhibitor HAI-2 is associated with a congenital sodium diarrhea. The functional consequences of this mutation on HAI-2 activity and its physiological targets are unknown. We established a cellular assay in Xenopus laevis oocytes to study functional interactions between HAI-2 and candidate membrane-bound serine proteases expressed in the gastro-intestinal tract. We found that the wild-type form of HAI-2 is a potent inhibitor of nine gastro-intestinal serine proteases. The Y163C mutation in the second Kunitz domain of HAI-2 resulted in a complete loss of inhibitory activity on two intestinal proteases, prostasin and tmprss13. The effect of the mutation of the homologous Y68C in the first Kunitz domain of HAI-2 is consistent with a differential contribution of the two Kunitz domains of HAI-2 in the inhibition of serine proteases. By contrast to the Tyr to Cys, the Tyr to Ser substitution did not change the inhibitory potency of HAI-2, indicating that the thiol-group of the cysteine rather than the Tyr deletion is responsible for the HAI-2 loss of function. Our functional assay allowed us to identify membrane-bound serine proteases as cellular target for inhibition by HAI-2 wild type and mutants, and to better define the role of the Tyr in the second Kunitz domain in the inhibitory activity of HAI-2.

Modulation of the epithelial sodium channel by serine proteases

Abstract The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits α, ß, and γ. This channel is involved in the regulation of sodium balance, which influences the periciliary liquid level in the lung, and blood pressure via the kidney. ENaC expressed in Xenopus laevis oocytes is preferentially and rapidly assembled into heteromeric αßγ complexes. Expression of homomeric α or heteromeric αß and αγ complexes lead to channel expression at the cell surface wíth low activities. Recent studies have demonstrated that α and γ (but not ß) ENaC subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous proteases (i.e. furin) correlating with increased channel activity. We therefore assayed the full-length subunits and their cleavage products at the cell surface, as well as in the intracellular pool for all homo- and heteromeric combínations (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ and αßγ) and measured the corresponding channel activities as amiloride-sensitive sodíum transport (INa). We showed that upon assembly, cleavage of the y ENaC subunit ís responsible for increasing INa. We further demonstrated that in disease states such as cystic fibrosis (CF) where there is disequilibrium in the proteaseprotease inhibitor balance, ENaC is over-activated by the serine protease elastase (NE). We demonstrated that elevated NE concentrations can cleave cell surface expressed γ ENaC (but not α, or ß ENaC), suggesting a causal relationship between γ ENaC cleavage and ENaC activation, taking place at the plasma membrane. In addition, we demonstrated that the serine protease inhibitor (serpin) serpinH1, which is co-expressed with ENaC in the distal nephron is capable of inhibiting the channel by preventing cleavage of the γ ENaC subunit. Aldosterone mediated increases in INa aze known to be inhibted by TGFß. TGFß is also known to increase serpinHl expression. The demonstrated inhibition of γ ENaC cleavage and channel activation by serpinH1 may be responsible for the effect of TGFß on aldosterone stimulation in the distal nephron. In summary, we show that cleavage of the γ subunit, but not the α or ß subunit is linked to channel activation in three seperate contexts. Résumé Le canal épithélial à sodium (ENaC) est constitué de trois sous-unités homologues α, ß, and γ. Ce canal est impliqué dans le maintien de la balance sodique qui influence le niveau du liquide périciliaire du poumon et la pression sanguine via le rein. Dans les ovocytes de Xenopus laevis ENaC est préférentiellement et rapidement exprimé en formant un complexe hétéromérique αßγ. En revanche, l'expression homomérique de α ou hétéromérique des complexes αß et αγ conduit à une expression à la surface cellulaire d'un canal ENaC ne possédant qu'une faible activité. Des études récentes ont mis en évidence que les sous-unités α et γ d'ENaC (mais pas ß) sont coupées par des protéases endogènes (les farines) et que ces clivages augmentent l'activité du canal. Nous avons donc analysé, aussi bien à la surface cellulaire que dans le cytoplasme, les produits des clivages de combinaison homo- et hétéromérique des sous-unités d'ENaC (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ et αßγ). En parallèle, nous avons étudié l'activité correspondante à ces canaux par la mesure du transport de sodium sensible à l'amiloride (INa). Nous avons montré que lors de l'assemblage des sous-unités d'ENaC, le clivage de γ correspond à l'augmentation de INa. Nous avons également mis en évidence que dans une maladie telle que la fibrose cystique (CF) caractérisée par un déséquilibre de la balance protéase-inhibiteur de protéase, ENaC est suractivé par une sérine protéase nommée élastase (NE). L'augmentation de la concentration de NE clive γ ENaC exprimé à la surface cellulaire (mais pas α, ni ß ENaC) suggérant une causalité entre le clivage d'ENaC et son activation à la membrane plasmique. De plus, nous avons démontré que l'inhibiteur de sérine protéase (serpin) serpinH1, qui est co-exprimé avec ENaC dans le néphron distal, inhibe l'activité du canal en empêchant le clivage de la sous-unité γ ENaC. Il est connu que le INa induit par l'aldostérone peut être inhibé par TGFß. Or TGFß augmente l'expression de serpinH1. L'inhibition du clivage de γ ENaC et de l'activation du canal par la serpinH1 que nous avons mis en évidence pourrait ainsi être responsable de l'effet de TGFß sur la stimulation du courant par l'aldostérone dans le néphron distal. En résumé, nous avons montré que le clivage de la sous-unité γ, mais pas des sous-unités α et ß, est lié à l'activation du canal dans trois contextes distincts. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 10 000 milliards de cellules et d'approximativement 60% d'eau. Les cellules du corps sont les unités fondamentales de la vie et elles sont dépendantes de certains nutriments et molécules. Ces nutriments et molécules sont dissous dans l'eau qui est présente dans et hors des cellules. Le maintien d'une concentration adéquate - de ces nutriments et de ces molécules dans l'eau à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est -..essentiel pour leur survie. L'eau hors des cellules est nommée le fluide extracellulaire et peut être subdivisée en fluide interstitiel, qui se trouve autour des cellules, et en plasma, qui est le fluide des vaisseaux sanguins. Les fluides, les nutriments et les molécules sont constamment échangés entre les cellules, le fluide interstitiel, et le plasma. Le plasma circule dans le système circulatoire afin de distribuer les nutriments et molécules dans tout le corps et afin d'enlever les déchets cellulaires. Le rein joue un rôle essentiel dans la régulation du volume et de la concentration du plasma en éliminant sélectivement les nutriments et les molécules via la formation de l'urine. L'être humain possède deux reins, constitués chacun d'environ 1 million de néphrons. Ces derniers sont responsables de réabsorber et de sécréter sélectivement les nutriments et les molécules. Le canal épithélial à sodium (ENaC) est localisé à la surface cellulaire des néphrons et est responsable de la réabsorption du sodium (Na+). Le Na+ est présent dans quasiment toute la nourriture que nous mangeons et représente, en terme de molécule, 50% du sel de cuisine. Si trop de sodium est consommé, ENaC est inactif, si bien que le Na+ n'est pas réabsorbé et quitte le corps par l'urine. Ce mécanisme permet d'éviter que la concentration plasmatique de Na+ ne devienne trop grande, ce qui résulterait en une augmentation de la pression sanguine. Si trop peu de Na+ est consommé, ENaC réabsorbe le Na+ de l'urine primaire ce qui permet de conserver la concentration de Na+ et de prévenir une diminution de la pression sanguine par une perte de Na+. ENaC est aussi présent dans les cellules des poumons qui sont les organes permettant la respiration. La respiration est aussi essentielle pour la survie des cellules. Les poumons ne doivent pas contenir trop de liquide afin de permettre la respiration, mais en même temps ils ne doivent pas non plus être trop secs. En effet, ceci tuerait les cellules et empêcherait aussi la respiration. ENaC permet de maintenir un niveau d'humidité approprié dans les poumons en absorbant du Na+ ce qui entraîne un mouvement osmotique d'eau. L'absorption de sodium par ENaC ~ est augmentée par les protéases (in vitro et ex vivo). Les protéases sont des molécules qui peuvent couper d'autres molécules à des endroits précis. Nous avons démonté que certaines protéases augmentent l'absorption de Na+ en coupant ENaC à des endroits spécifiques. L'inhibition de ces protéases diminue le transport de Na+ et empêche le clivage d'ENaC. Dans certaines maladies telle que la mucoviscidose, des protéases sont suractivées et augmentent l'activité d'ENaC de manière inappropriée conduisant à une trop forte absorption de Na+ et à un déséquilibre de la muqueuse des poumons. Cette étude est donc particulièrement importante dans le cadre de la recherche thérapeutique de ce genre de maladie.

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

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

Single amino acid charge switch defines clinically distinct proline-serine-threonine phosphatase-interacting protein 1 (PSTPIP1)-associated inflammatory diseases.

BACKGROUND: Hyperzincemia and hypercalprotectinemia (Hz/Hc) is a distinct autoinflammatory entity involving extremely high serum concentrations of the proinflammatory alarmin myeloid-related protein (MRP) 8/14 (S100A8/S100A9 and calprotectin). OBJECTIVE: We sought to characterize the genetic cause and clinical spectrum of Hz/Hc. METHODS: Proline-serine-threonine phosphatase-interacting protein 1 (PSTPIP1) gene sequencing was performed in 14 patients with Hz/Hc, and their clinical phenotype was compared with that of 11 patients with pyogenic arthritis, pyoderma gangrenosum, and acne (PAPA) syndrome. PSTPIP1-pyrin interactions were analyzed by means of immunoprecipitation and Western blotting. A structural model of the PSTPIP1 dimer was generated. Cytokine profiles were analyzed by using the multiplex immunoassay, and MRP8/14 serum concentrations were analyzed by using an ELISA. RESULTS: Thirteen patients were heterozygous for a missense mutation in the PSTPIP1 gene, resulting in a p.E250K mutation, and 1 carried a mutation resulting in p.E257K. Both mutations substantially alter the electrostatic potential of the PSTPIP1 dimer model in a region critical for protein-protein interaction. Patients with Hz/Hc have extremely high MRP8/14 concentrations (2045 ± 1300 μg/mL) compared with those with PAPA syndrome (116 ± 74 μg/mL) and have a distinct clinical phenotype. A specific cytokine profile is associated with Hz/Hc. Hz/Hc mutations altered protein binding of PSTPIP1, increasing interaction with pyrin through phosphorylation of PSTPIP1. CONCLUSION: Mutations resulting in charge reversal in the y-domain of PSTPIP1 (E→K) and increased interaction with pyrin cause a distinct autoinflammatory disorder defined by clinical and biochemical features not found in patients with PAPA syndrome, indicating a unique genotype-phenotype correlation for mutations in the PSTPIP1 gene. This is the first inborn autoinflammatory syndrome in which inflammation is driven by uncontrolled release of members of the alarmin family.

The serine protease hepsin mediates urinary secretion and polymerisation of Zona Pellucida domain protein uromodulin.

Uromodulin is the most abundant protein in the urine. It is exclusively produced by renal epithelial cells and it plays key roles in kidney function and disease. Uromodulin mainly exerts its function as an extracellular matrix whose assembly depends on a conserved, specific proteolytic cleavage leading to conformational activation of a Zona Pellucida (ZP) polymerisation domain. Through a comprehensive approach, including extensive characterisation of uromodulin processing in cellular models and in specific knock-out mice, we demonstrate that the membrane-bound serine protease hepsin is the enzyme responsible for the physiological cleavage of uromodulin. Our findings define a key aspect of uromodulin biology and identify the first in vivo substrate of hepsin. The identification of hepsin as the first protease involved in the release of a ZP domain protein is likely relevant for other members of this protein family, including several extracellular proteins, as egg coat proteins and inner ear tectorins.

The Proteolytic Activation of (H3N2) Influenza A Virus Hemagglutinin Is Facilitated by Different Type II Transmembrane Serine Proteases.

UNLABELLED: Cleavage of influenza virus hemagglutinin (HA) by host cell proteases is necessary for viral activation and infectivity. In humans and mice, members of the type II transmembrane protease family (TTSP), e.g., TMPRSS2, TMPRSS4, and TMPRSS11d (HAT), have been shown to cleave influenza virus HA for viral activation and infectivityin vitro Recently, we reported that inactivation of a single HA-activating protease gene,Tmprss2, in knockout mice inhibits the spread of H1N1 influenza viruses. However, after infection ofTmprss2knockout mice with an H3N2 influenza virus, only a slight increase in survival was observed, and mice still lost body weight. In this study, we investigated an additional trypsin-like protease, TMPRSS4. Both TMPRSS2 and TMPRSS4 are expressed in the same cell types of the mouse lung. Deletion ofTmprss4alone in knockout mice does not protect them from body weight loss and death upon infection with H3N2 influenza virus. In contrast,Tmprss2(-/-)Tmprss4(-/-)double-knockout mice showed a remarkably reduced virus spread and lung pathology, in addition to reduced body weight loss and mortality. Thus, our results identified TMPRSS4 as a second host cell protease that, in addition to TMPRSS2, is able to activate the HA of H3N2 influenza virusin vivo IMPORTANCE: Influenza epidemics and recurring pandemics are responsible for significant global morbidity and mortality. Due to high variability of the virus genome, resistance to available antiviral drugs is frequently observed, and new targets for treatment of influenza are needed. Host cell factors essential for processing of the virus hemagglutinin represent very suitable drug targets because the virus is dependent on these host factors for replication. We reported previously thatTmprss2-deficient mice are protected against H1N1 virus infections, but only marginal protection against H3N2 virus infections was observed. Here we show that deletion of two host protease genes,Tmprss2andTmprss4, strongly reduced viral spread as well as lung pathology and resulted in increased survival after H3N2 virus infection. Thus, TMPRSS4 represents another host cell factor that is involved in cleavage activation of H3N2 influenza virusesin vivo.