Revisiting the heteromultimeric structure of ENaC in Xenopus leavis oocytes

The epithelial sodium channel (ENaC) regulates the sodium reabsorption in the principal cells of collecting duct of the nephron, and is essential for the maintenance of Na+ balance and blood pressure. ENaC is regulated by hormones such as aldosterone and vasopressin, by serine proteases. The functional ENaC channel expressed at the cell surface is a hetemultimeric complex composed by the homologous a, ß and y subunits. Several functional and biochemical studies have provided evidence that the ENaC is a heterotetramer formed by 2a lß and ly subunits. Recently, a channel homologue of ENaC, the acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. This discrepancy in the subunit composition of these two channels of the same family, motivated us to revisit the subunit oligomerization of the purified functional abg EnaC channel complex. His(6)ENaC a ß y subunits were expressed in Xenopus leavis oocytes. The three ENaC subunits copurify on Ni+2-NTA agarose beads in a aßy ENaC complex. On Western blot, the ENaC subunits show typical post-translation modifications associated with a functional channel. Using differentially tagged ENaC subunits, we could demonstrate that 2 different a ENaC co- purify with ß and y subunits, whereas only one single ß and y are detected in the ENaC complex. Comparison of the mass of the aßy ENaC complex on Western blot under non reducing conditions with different ENaC dimeric, trimmeric and tetratemeric concatamers indicate that the ENaC channel complex is a heterotetramer made of 2a-, lß-, and ly ENaC subunits. Our result will certainly not provide the last words on the subunit stoichiometry of the ENaC/ASIC channels, but hopefully will promote the réévaluation of the cASICl crystal structure for its functional relevance. -- Le canal épithélial sodique ENaC est responsable de la réabsorption du sodium dans les cellules principales du tubule collecteur rénal et joue un rôle important dans le maintien de l'homéostasie sodique et le maintien de la pression artérielle. Ce canal est régulé par des hormones telles que l'aldostérone ou la Vasopressine mais également par des sérines protéases. ENaC est un canal multimerique constitué des trois sous-unités homologues a, ß and y. De nombreuses études fonctionnelles et biochimiques ont montré que le canal ENaC fonctionnel exprimé à la surface cellulaire est un canal formé de 4 sous unités avec une stoichiometric préférentielle de 2 sous-unités a, 1 sous-unité ß et 1 sous-unité y. Récemment, la cristallisation du canal sodique sensible au pH acide, ASIC, un autre membre de la famille ENaC/Deg, a mis en évidence un canal homotrimérique. Cette divergence dans la composition en sous-unités formant les complexes ENaC et ASIC, deux canaux de la même famille de gènes, nous a motivé à réinvestiguer le problème de l'oligomérisation du complexe fonctionnel ENaC après purification. Dans ce but le complexe ENaC fait des sous-unités aßy marquées par un épitope His 6 ont été exprimées dans l'ovocyte de Xenopus leavis. Les trois sous-unités aßy du complexe ENaC peuvent être co-purifiées sur des billes d'agarose Ni+2-NTA et montrent les modifications post-traductionnelles attendues pour le complexe fonctionnel ENaC exprimé en surface. Nous avons pu démontrer que ce complexe ENaC fonctionnel, est formé de deux sous-unités a différentes, mais de une seule sous-unité ß et une seule sous-unité y, suggérant un complexe ENaC formé de plus de trois sous-unités. L'estimation de la masse du complexe fonctionnel ENaC par Western blot, en comparaison avec des constructions concatemériques de ENaC faites de 2, 3, ou 4 sous-unités indique que le complexe aßy ENaC fonctionnel est une hétérotétramère composé de 2 sous-unités a, une ß et une y. Ces expériences ne représentent pas le fin d'une controverse quant à la structure des canaux ENaC et ASIC, mais soulèvent la question de la relevance fonctionnelle de la structure tridimentionelle du canal ASIC révélée par crystallographie.

Role of intracellular cysteines in ENaC function

The epithelial sodium channel (ENaC) regulates the sodium reabsorption in the collecting duct principal cells of the nephron. ENaC is mainly regulated by hormones such as aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases, Na+ and divalent cations. The crystallization of an ENaC/Deg member, the Acid Sensing Ion Channel, has been recently published but the pore-lining residues constitution of ENaC internal pore remains unclear. It has been reported that mutation aS589C of the selectivity filter on the aENaC subunit, a three residues G/SxS sequence, renders the channel permeant to divalent cations and sensitive to extracellular Cd2+. We have shown in the first part of my work that the side chain of aSer589 residue is not pointing toward the pore lumen, permitting the Cd2+ to permeate through the ion pore and to coordinate with a native cysteine, gCys546, located in the second transmembrane domain of the gENaC subunit. In a second part, we were interested in the sulfhydryl-reagent intracellular inhibition of ENaC-mediated Na+ current. Kellenberger et al. have shown that ENaC is rapidly and reversibly inhibited by internal sulfhydryl reagents underlying the involvement of intracellular cysteines in the internal regulation of ENaC. We set up a new approach comprising a Substituted Cysteine Analysis Method (SCAM) using intracellular MTSEA-biotin perfusion coupled to functional and biochemical assays. We were thus able to correlate the cysteine-modification of ENaC by methanethiosulfonate (MTS) and its effect on sodium current. This allowed us to determine the amino acids that are accessible to intracellular MTS and the one important for the inhibition of the channel. RESUME : Le canal épithélial sodique ENaC est responsable de la réabsorption du sodium dans les cellules principales du tubule collecteur rénal. Ce canal est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la vasopressine mais également par des sérines protéases, le Na+ lui-même et certains cations divalents. La cristallisation du canal sodique sensible au pH acide, ASIC, un autre membre de la famille ENaC/Deg, a été publiée mais les acides aminés constituant le pore interne d'ENaC restent indéterminés. Il a été montré que la mutation aS589C du filtre de sélectivité de la sous-unité aENaC permet le passage de cations divalents et l'inhibition du canal par le Cd2+ extracellulaire. Dans un premier temps, nous avons montré que la chaîne latérale de la aSer589 n'est pas orientée vers l'intérieur du pore, permettant au Cd2+ de traverser le canal et d'interagir avec une cysteine native du second domaine transrnembranaire de la sous-unité γENaC, γCys546. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés au mécanisme d'inhibition d'ENaC par les réactifs sulfhydryl internes. Kellenberger et al. ont montré l'implication de cystéines intracellulaires dans la régulation interne d'ENaC par les réactifs sulfhydryl. Nous avons mis en place une nouvelle approche couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec des perfusions intracellulaires de MTSEAbiotine. Ainsi, nous pouvons meure en corrélation les modifications des cystéines d'ENaC par les réactifs methanethiosulfonates (MTS) avec leur effet sur le courant sodique, et donc mettre en évidence les acides aminés accessibles aux MTS intracellulaires et ceux qui sont importants dans la fonction du canal.

Secreted subtilisin gene family in Trichophyton rubrum.

Secreted proteases constitute potential virulence factors of dermatophytes. A total of seven genes encoding putative serine proteases of the subtilisin family (SUB) were isolated in Trichophyton rubrum. Based on sequence data and intron-exon structure, a phylogenetic analysis of subtilisins from T. rubrum and other fungi revealed a presumed ancestral lineage comprising T. rubrum SUB2 and Aspergillus SUBs. All other SUBs (SUB1, SUB3-7) are dermatophyte-specific and have apparently emerged more recently, through successive gene duplication events. We showed that two subtilisins, Sub3 and Sub4, were detected in culture supernatants of T. rubrum grown in a medium containing soy protein as a sole nitrogen source. Both recombinant enzymes produced in Pichia pastoris are highly active on keratin azure suggesting that these proteases play an important role in invasion of keratinised tissues by the fungus. The set of deduced amino acid sequences of T. rubrum SUB ORFs allowed the identification of orthologous Subs secreted by other dermatophyte species using proteolysis and mass spectrometry.

The role of LEKTI in fate determination of keratinocyte stem cells

SPINK5 (serine protease inhibitor Kazal-type 5) encodes the putative proteinase inhibitor LEKTI (lympho-epithelial Kazal-type related inhibitor). In skin, LEKTI expression is restricted to the stratum granulosum of the epidermis and the inner root sheath of hair follicles. Mutations that create premature termination codons in SPINK5 have been reported as the cause of Netherton syndrome (NS), a human autosomal recessive disorder characterized by congenital ichthyosis with defective cornification, a specific hair shaft defect known as trichorrexis invaginata or 'bamboo hair', and severe atopic manifestations, including atopic dermatitis and hayfever. Althought recombinant human LEKTI inhibits a battery of serine proteases including plasmin, trypsin, subtilisin A, cathepsin G, and elastase, the precise role of LEKTI in the physiopathology of NS remains unclear. Spink5−/− mice display a NS-like phenotype. Surprisingly, a psoriasis-like hyperplasia, basement membrane breakdown followed by evagination of spindle-shaped epidermal cells into the dermal compartment, and the presence of numerous sweat gland-like structures were also observed when the skin of Spink5−/− newborn mice, which die at birth, was transplanted onto the back of nude mice. Collectively, these observations suggest that LEKTI may play a role on cell proliferation and stem cell fate. Our current work aims at elucidating the mechanisms by which LEKTI impact these biological processes. Using keratinocyte stem cells obtained from NS patients, we have identified LEKTI as a regulator node in several signaling pathways involved in stem cell behavior.

The CAP1/Prss8 catalytic triad is not involved in PAR2 activation and protease nexin-1 (PN-1) inhibition.

Serine proteases, serine protease inhibitors, and protease-activated receptors (PARs) are responsible for several human skin disorders characterized by impaired epidermal permeability barrier function, desquamation, and inflammation. In this study, we addressed the consequences of a catalytically dead serine protease on epidermal homeostasis, the activation of PAR2 and the inhibition by the serine protease inhibitor nexin-1. The catalytically inactive serine protease CAP1/Prss8, when ectopically expressed in the mouse, retained the ability to induce skin disorders as well as its catalytically active counterpart (75%, n=81). Moreover, this phenotype was completely normalized in a PAR2-null background, indicating that the effects mediated by the catalytically inactive CAP1/Prss8 depend on PAR2 (95%, n=131). Finally, nexin-1 displayed analogous inhibitory capacity on both wild-type and inactive mutant CAP1/Prss8 in vitro and in vivo (64% n=151 vs. 89% n=109, respectively), indicating that the catalytic site of CAP1/Prss8 is dispensable for nexin-1 inhibition. Our results demonstrate a novel inhibitory interaction between CAP1/Prss8 and nexin-1, opening the search for specific CAP1/Prss8 antagonists that are independent of its catalytic activity.-Crisante, G., Battista, L., Iwaszkiewicz, J., Nesca, V., Mérillat, A.-M., Sergi, C., Zoete, V., Frateschi, S., Hummler, E. The CAP1/Prss8 catalytic triad is not involved in PAR2 activation and protease nexin-1 (PN-1) inhibition.

Functional analysis of altered channel-activating protease-1 (CAP1) expression in the skin

Summary : The skin is a complex organ that protects the body against entry of pathogens and supplies a relatively dry and impermeable barrier to water loss. This barrier function is mainly provided by the epidermis, which is the outermost layer of the skin. Serine proteases are involved in skin physiology and it is known that mutations or alterations in their expression can lead to skin diseases. In order to investigate the importance of the regulated expression of CAPI/Prss8, a membrane bound serine protease expressed in the epidermis, we developed transgenic mice ectopically expressing CAPI/Prss8 in the skin. These animals exhibited a phenotype characterized by scaly skin, epidermal hypertrophy, inflammation and scratching behavior. This phenotype could be completely abolished in mice lacking the proteinase activated receptor 2 (PAR2) revealing PAR2 as a potential in vivo downstream target of CAP 1 /Prss8. We could also provide evidence of a CAP1 /Prss8 function independent of its catalytic activity. Additionally, mice ectopically expressing PAR2 in the skin developed a skin phenotype very similar to CAPI/Prss8 transgenic animals, supporting the hypothesis of PAR2 activation by CAPI/Prss8. We could furthermore demonstrate an inhibitory effect of the serine protease inhibitor nexin-I on CAPI/Prss8, since nexin-1 transgenic expression negated the skin phenotype observed in CAPI/Prss8 transgenic mice. CAP1/Prss8 and PAR2 transgenic animals, and the understanding of the interaction between CAPl/Prss8 and PAR2, can be helpful in developing potential CAPI/Prss8 and PAR2 inhibitory molecules that may be used as drugs to treat ichthyoses-like skin diseases. Résumé : La peau est un organe complexe qui protège le corps contre l'entrée des pathogènes et forme une barrière imperméable qui empêche la déshydratation. Cette fonction de barrière est surtout fournie par l'épiderme, la couche la plus superficielle de la peau. Le bon fonctionnement de cet organe est permis, entre autres, par les protéases à sérine qui sont des enzymes dont l'altération peut causer des maladies de la peau. Pour étudier l'importance de la régulation de CAP1/Prss8, une protéase à sérine exprimée au niveau de l'épiderme, des souris génétiquement modifiées, dans lesquelles CAP1/Prss8 est exprimé d'une manière ectopique dans la peau, ont été générées. Les animaux transgéniques pour CAP1/Prss8 présentent une peau squameuse, un épiderme hypertrophique, des processus inflammatoires et se grattent. Ce phénotype a pu être complètement guéri lorsque le gène de PAR2, un récepteur qui règle l'activité des cellules de l'épiderme, est inactivé chez la souris. Ceci montre que PAR2 est une cible de CAP1/Prss8 dans le système étudié. Des études expérimentales suggèrent de plus que l'effet de CAP1/Prss8 dans ce modèle ne dépend pas de son activité enzymatique. En dernière analyse, il a été démontré que l'expression transgénique de nexin-1, un inhibiteur des protéases à sérine exprimé dans la peau, a la capacité d'améliorer la peau squameuse et l'épiderme hypertrophique causés par CAP1/Prss8 transgénique. Les animaux transgéniques pour CAP1/Prss8 et PAR2, et la compréhension du mécanisme d'interaction entre eux, pourraient aider à développer et à tester des molécules inhibitrices de CAP1 /Prss8 et PARI qui pourraient alors être utilisées comme médicaments pour traiter des maladies de la peau comme les ichthyoses.

The congenital soidum diarrhea and Spint2: from the molecules to the disease

La diarrhée congénitale de sodium est une maladie génétique très rare. Les enfants touchés par cette maladie présentent une diarrhée aqueuse sévère accompagnée d'une perte fécale de sodium et bicarbonates causant une déshydratation hyponatrémique et une acidose métabolique. Des analyses génétiques ont identifié des mutations du gène Spint2 comme cause de cette maladie. Le gène Spint2 code pour un inhibiteur de sérine protéase transmembranaire exprimé dans divers épithéliums tels que ceux du tube digestif ou des tubules rénaux. Le rôle physiologique de Spint2 n'est pas connu. De plus, aucun partenaire physiologique de Spint2 n'a été identifié et le mécanisme d'inhibition par Spint2 nous est peu connu. Le but de ce projet est donc d'obtenir de plus amples informations concernant la fonction et le rôle de Spint2 dans le contexte de la diarrhée congénitale de sodium, cela afin de mieux comprendre la physiopathologie des diarrhées et peut-être d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Un test fonctionnel dans les ovocytes de Xenopus a identifié les sérine protéases transmembranaires CAPI et Tmprssl3 comme potentielles cibles de Spint2 dans la mesure où ces deux protéases n'étaient plus bloquées par le mutant de Spint2 Y163C qui est associé avec la diarrhée congénitale de sodium. Des expériences fonctionnelles et biochimiques plus poussées suggèrent que l'inhibition de Tmprssl3 par Spint2 est le résultat d'une interaction complexe entre ces deux protéines. Les effets des sérine protéases transmembranaires sur l'échangeur Na+-H+ NHE3, qui pourrait être impliqué dans la pathogenèse de la diarrhée congénitale de sodium ont aussi été testés. Un clivage spécifique de NHE3 par la sérine protéase transmembranaire Tmprss3 a été observé lors d'expériences biochimiques. Malheureusement, la pertinence physiologique de ces résultats n'a pas pu être évaluée in vivo, étant donné que le modèle de souris knockout conditionnel de Spint2 que nous avons créé ne montrait une réduction de l'expression de Spint2 que de 50% et aucun phénotype. En résumé, ce travail met en évidence deux nouveaux partenaires possibles de Spint2, ainsi qu'une potentielle régulation de NHE3 par des sérine protéases transmembranaires. Des expériences supplémentaires faites dans des modèles animaux et lignées cellulaires sont requises pour évaluer la pertinence physiologique de ces données et pour obtenir de plus amples informations au sujet de Spint2 et de la diarrhée congénitale de sodium. - The congenital sodium diarrhea is a very rare genetic disease. Children affected by this condition suffer from a severe diarrhea characterized by watery stools with a high fecal loss of sodium and bicarbonates, resulting in hyponatremic dehydration and metabolic acidosis. Genetic analyses have identified mutations in the Spint2 gene as a cause of this disease. The spint2 gene encodes a transmembrane serine protease inhibitor expressed in various epithelial tissues including the gastro-intestinal tract and renal tubules. The physiological role of Spint2 is completely unknown. In addition, physiological partners of Spint2 are still to be identified and the mechanism of inhibition by Spint2 remains elusive. Therefore, the aim of this project was to get insights about the function and the role of Spint2 in the context of the congenital sodium diarrhea in order to better understand the pathophysiology of diarrheas and maybe identify new therapeutic targets. A functional assay in Xenopus oocytes identified the membrane-bound serine proteases CAPI and Tmprssl3 as potential targets of Spint2 because both proteases were no longer inhibited by the mutant Spint2 Y163C that has been associated with the congenital diarrhea. Further functional and biochemical experiments suggested that the inhibition of Tmprssl3 by Spint2 occurs though a complex interaction between both proteins. The effects of membrane-bound serine proteases on the Na+-H+ exchanger NHE3, which has been proposed to be involved in the pathogenesis of the congenital sodium diarrhea, were also tested. A specific cleavage of NHE3 by the membrane-bound serine protease Tmprss3 was observed in biochemical experiments. Unfortunately, the physiological relevance of these results could not be assessed in vivo since the conditional Spint2 knockout mouse model that we generated showed a reduction in Spint2 expression of only 50% and displayed no phenotype. Briefly, this work provides two new potential partners of Spint2 and emphasizes a putative regulation of NHE3 by membrane-bound serine proteases. Further work done in animal models and cell lines is required to assess the physiological relevance of these results and to obtain additional data about Spint2 and the congenital diarrhea.

Trypsin cleaves acid-sensing ion channel 1a in a domain that is critical for channel gating.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that are members of the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by extracellular acidification. ASICs in the central nervous system have a modulatory role in synaptic transmission and are involved in cell injury induced by acidosis. We have recently demonstrated that ASIC function is regulated by serine proteases. We provide here evidence that this regulation of ASIC function is tightly linked to channel cleavage. Trypsin cleaves ASIC1a with a similar time course as it changes ASIC1a function, whereas ASIC1b, whose function is not modified by trypsin, is not cleaved. Trypsin cleaves ASIC1a at Arg-145, in the N-terminal part of the extracellular loop, between a highly conserved sequence and a sequence that is critical for ASIC1a inhibition by the venom of the tarantula Psalmopoeus cambridgei. This channel domain controls the inactivation kinetics and co-determines the pH dependence of ASIC gating. It undergoes a conformational change during inactivation, which renders the cleavage site inaccessible to trypsin in inactivated channels.

The epidthelial sodium channel ENaC and its regulators in the epidermal permeability barrier function

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC is well known to be involved in controlling whole body sodium homeostasis and lung liquid clearance. ENaC expression has also been detected in the skin of amphibians and mammals. Mice lacking ENaC expression lose rapidly weight associated with an epidermal barrier defect that develops following birth. This dehydration is accompanied with a highly abnormal lipid matrix composition and an impaired skin surface acidification. This strongly suggests a role of ENaC in the maturation of barrier function rather than in the prenatal generation of the barrier, and may be as such an important modulator for skin hydration. In parallel, gene targeting experiments of regulators of ENaC activity, membrane serine proteases, also termed channel activating proteases, like CAP1/Prss8 and matriptase/MT-SP1 by themselves have been shown to be crucial for the epidermal barrier function. In our review, we mainly focus on the role of ENaC and its regulators in the skin and discuss their importance in the epidermal permeability barrier function.

Phenotypical analysis of mice deficient for the channel activating protease CAP2

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

New human kallikrein 14: enzymatic characterization and inhibitors development.

RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC En biologie, si une découverte permet de répondre à quelques questions, en général elle en engendre beaucoup d'autres. C'est ce qui s'est produit récemment dans le monde des kallicréines. De la famille des protéases, protéines ayant la faculté de couper plus ou moins spécifiquement d'autres protéines pour exercer un rôle biologique, la famille des kallicréines humaines n'était composée que de 3 membres lors du siècle dernier. Parmi eux, une kallicréine mondialement utilisée pour détecter le cancer de la prostate, le PSA. En 2000, un chercheur de l'hôpital universitaire Mont Sinaï à Toronto, le Professeur Eleftherios Diamandis, a découvert la présence de 12 nouveaux gènes appartenant à cette famille, situés sur le même chromosome que les 3 premières kallicréines. Cette découverte majeure a placé les spécialistes des kallicréines face à une montagne d'interrogations car les fonctions de ces nouvelles protéases étaient totalement inconnues. La kallicréine humaine 14 (hK14) présente un intérêt particulier, car elle se retrouve associée à différents cancers, notamment les carcinomes ovariens et mammaires. Cette association ne répond cependant pas à la fonction de cette protéase. L'objectif de ce travail de thèse était donc de découvrir, dans un premier temps, la spécificité de cette nouvelle kallicréine, c'est-à-dire le type de coupure qu'elle engendre au niveau des protéines qu'elle cible. Utilisant une technologie de pointe qui exploite la propriété des bactériophages à se répliquer dans les bactéries à l'infini, des dizaines de millions de combinaisons protéiques aléatoires ont été présentées à hK14, qui a pu sélectionner celles qui lui étaient favorables pour la coupure. Cette technique qualitative porte le nom de Phage Display Substrate. Une fois la sélection réalisée, il fallait transférer ces séquences coupées ou substrats dans un système permettant de donner une valeur quantitative à l'efficacité de coupure. Pour cela nous avons développé une technologie qui permet d'évaluer cette efficacité en utilisant des protéines fluorescentes de méduse, modifiées génétiquement, dont l'excitation de la première (CFP : cyan fluorescent protein) par la lumière à une certaine longue d'onde permet le transfert d'énergie à la seconde (YFP : yellow fluorescent protein), via un substrat qui les lie. Pour que ce transfert d'énergie se produise, il faut que les deux protéines fluorescentes soient proches, comme c'est le cas lorsqu'elles sont liées par un substrat. La coupure de ce lien provoque un changement de transfert d'énergie qui est quantifiable en utilisant un spectrofluoromètre. Cette technologie permet donc de suivre la réaction d'hydrolyse (coupure) des protéases. Afin de poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre la fonction biologique d'hK14 ainsi que son éventuelle implication dans le cancer, nous avons développé des inhibiteurs spécifiques d'hK14. Les séquences qui on été le plus efficacement coupées par hK14 ont été utilisées pour transformer deux types d'inhibiteurs classiques, qui circulent dans notre sang, en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Selon les résultats obtenus in vitro, ils pourront être évalués in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. RESUME Les protéases sont des enzymes impliquées dans des processus physiologiques mais aussi parfois pathologiques. La famille des kallicréines tissulaires humaines représente le plus grand groupe de protéases humaines, dont plusieurs pourraient participer au développement de certaines maladies. D'autre part, ces protéases sont apparues comme des marqueurs de pathogénicité potentiels, notamment dans les cas de cancers hormono-dépendants. La kallicréine humaine 14 a été récemment découverte et son implication dans quelques maladies, particulièrement dans le cas de tumeurs, semble probable. En effet, son expression génique est augmentée au niveau des tissus cancéreux de la prostate et du sein et son expression protéique s'est révélée plus élevée dans le sérum de patientes atteintes d'un cancer du sein ou des ovaires. Cependant, comme c'est le cas pour la plupart des kallicréines, sa fonction est encore inconnue. Afin de mieux connaître son rôle biologique et/ou pathologique, nous avons décidé de caractériser son activité enzymatique. Nous avons tout d'abord mis au point un système de substrats entièrement biologique permettant d'étudier in vitro l'activité des protéases. Ce système est basé sur le phénomène de FRET, à savoir le transfert d'énergie de résonance fluorescente qui intervient entre deux molécules fluorescentes voisines si le spectre d'émission de la protéine donneuse chevauche le spectre d'excitation de la protéine receveuse. Nous avons fusionné de manière covalente une protéine fluorescente bleue (CFP) et une jaune (YFP) en les liant avec diverses séquences. Par clivage de la séquence de liaison, une perte du transfert d'énergie peut être mesurée par un spectrofluoromètre. Cette technologie représente un moyen facile de suivre la réaction d'hydrolyse des protéases. Les conditions optimales de production de ces substrats CFP-YFP ont été déterminées, de même que les paramètres pouvant éventuellement influencer le FRET. Ce système possède une grande résistance à la protéolyse non spécifique et est applicable à un grand nombre de protéase. Contrairement aux substrats fluorogéniques, il permet d'étudier les acides aminés se trouvant des deux côtés du site de clivage. Ce système étant entièrement biologique, il est le reflet des interactions protéine-protéine et représente un outil biologique facile, bon marché et rapide pour caractériser les protéases. Dans un premier temps, hK14 a été mise en présence d' une banque de haute diversité de pentapeptides aléatoires présentée à la surface de phages afin d'identifier des substrats spécifiques. Ensuite, le système CFP-YFP a été employé pour trier les peptides sélectionnés afin d'identifier les séquences de substrats les plus sensibles et spécifiques pour hK14. Nous avons montré, qu'en plus de sa prévisible activité de type trypsine, hK14 possède aussi une très surprenante activité de type chymotrypsine. Les séquences les plus sensibles ont été choisies pour cribler la banque de donnée Swissprot, permettant ainsi l'identification de 6 substrats protéiques humains potentiels pour hK14. Trois d'entre eux, la laminine α-5, le collagène IV et la matriline-4, qui sont des composants de la matrice extracellulaire, ont démontré une grande susceptibilité à l'hydrolyse par hK14. De plus, la séparation éléctrophorétique a montré que la dégradation de la laminine α-5 et de la matriline-4 par hK14 devait se produire aux sites identifiés par la technologie du phage display. Pour terminer, nous avons transformé, par mutagenèse dirigée, deux serpines (inhibiteurs de protéases de type sérine) connues, AAT et ACT (alpha anti-trypsine et alpha anti-chymotrypsine), qui inhibent un vaste éventail d'enzymes humaines en inhibiteurs d'hK14 hautement efficaces et spécifiques. Ces inhibiteurs pourront être utilisés d'une part pour poursuivre certaines expériences permettant de mieux comprendre l'implication d'hK14 dans des voies physiologiques ou dans le cancer et d'autre part pour les évaluer in vivo en tant que traitement potentiel contre le cancer. SUMMARY Proteases consist of enzymes involved in physiological events, but also, in case of dysregulation, in pathogenicity. The human tissue kallikrein family represents the largest human protease cluster and includes several members that either could participate in the course of certain diseases or emerged as potential biological markers, especially in hormone dependent cancers. The human kallikrein 14 has been recently discovered and suggested implications in some disorders, particularly in tumors since its gene expression is up-regulated in prostate and breast cancer tissues and its protein expression increased in the serum of patients with breast and ovarian cancers. However, like most kallikreins, its function remains unknown. To better understand hK14 biological and/or pathological role, we decided to characterize its enzymatic activity. First of all, we developped a biological system suitable for in vitro study of protease activity. This system is based on the so-called FRET phenomenon, that is the Fluorescence Resonance Energy Transfer that occurs between two nearby fluorescent proteins if the emission spectrum of the donor overlaps the excitation spectrum of the acceptor. We fused covalently a cyan fluorescent protein (CFP) and a yellow fluorescent protein (YFP) with diverses sequences. Upon cleavage of the linker sequence by protease, the loss of energy transfer can be measured by a spectrofluorometer allowing an easy following of hydrolysis reaction. The optimal conditions to produce in bacterial system these CFP-YFP substrates were determined as well as the parameters that could eventually influence the FRET. This system demonstrated a high degree of resistance to non-specific proteolysis and applicability to various conditions corresponding to a great number of existing proteases. Other avantages are the possibility to study the amino acids located both sides of the cleavage site as well as the interest to work in a full biological system reflecting protein-protein interaction. A phage substrate library with exhaustive diversity was used prior to CFP-substrate-YFP system to isolate specific human kallikrein 14 substrates. After that the CFP-YFP system was used to sort peptides and identify highly sensitive and specific substrate sequences for hK14. We showed that besides its predictable trypsin-like activity, hK14 also possesses a surprising chymotrypsin-like activity. The screening of the Swissprot database was achieved with the most sensitive sequences and allowed the identification of 6 potential human protein substrates for hK14. Three of them, laminin α-5, collagen IV and matrilin-4, which are components of the extracellular matrix were incubated with hK14, by which they were efficiently hydrolyzed. Moreover, electrophoretic separation revealed that degradation of laminin α-5 and matrilin-4 by hK14 generated fragments with identical molecular size than the predicted N-terminal fragments that would result from hK14 specific cleavage, proving the value of phage display substrate to identify potential substrates. Finally, with site-directed mutagenesis, we transformed two well-known serpins (serine protease inhibitors), AAT and ACT (alpha anti-trypsin and alpha anti-chymotrypsin), which inhibit a vast spectrum of human enzymes into highly efficient and specific hK14 inhibitors. These inhibitors will be used to pursue experiments that could help understand hK14 implication in physiological pathways as well as in cancer biology and also to perform their in vivo evalution as potential cancer treatment.

Substrate specificity of human kallikrein 2 (hK2) as determined by phage display technology.

Human glandular kallikrein 2 (hK2) is a trypsin-like serine protease expressed predominantly in the prostate epithelium. Recently, hK2 has proven to be a useful marker that can be used in combination with prostate specific antigen for screening and diagnosis of prostate cancer. The cleavage by hK2 of certain substrates in the proteolytic cascade suggest that the kallikrein may be involved in prostate cancer development; however, there has been very little other progress toward its biochemical characterization or elucidation of its true physiological role. In the present work, we adapt phage substrate technology to study the substrate specificity of hK2. A phage-displayed random pentapeptide library with exhaustive diversity was generated and then screened with purified hK2. Phages displaying peptides susceptible to hK2 cleavage were amplified in eight rounds of selection and genes encoding substrates were transferred from the phage to a fluorescent system using cyan fluorescent protein (derived from green fluorescent protein) that enables rapid determination of specificity constants. This study shows that hK2 has a strict preference for Arg in the P1 position, which is further enhanced by a Ser in P'1 position. The scissile bonds identified by phage display substrate selection correspond to those of the natural biological substrates of hK2, which include protein C inhibitor, semenogelins, and fibronectin. Moreover, three new putative hK2 protein substrates, shown elsewhere to be involved in the biology of the cancer, have been identified thus reinforcing the importance of hK2 in prostate cancer development.

Comparative analysis of the roles of HtrA-like surface proteases in two virulent Staphylococcus aureus strains.

The HtrA surface protease is involved in the virulence of many pathogens, mainly by its role in stress resistance and bacterial survival. Staphylococcus aureus encodes two putative HtrA-like proteases, referred to as HtrA(1) and HtrA(2). To investigate the roles of HtrA proteins in S. aureus, we constructed htrA(1), htrA(2), and htrA(1) htrA(2) insertion mutants in two genetically different virulent strains, RN6390 and COL. In the RN6390 context, htrA(1) inactivation resulted in sensitivity to puromycin-induced stress. The RN6390 htrA(1) htrA(2) mutant was affected in the expression of several secreted virulence factors comprising the agr regulon. This observation was correlated with the disappearance of the agr RNA III transcript in the RN6390 htrA(1) htrA(2) mutant. The virulence of this mutant was diminished in a rat model of endocarditis. In the COL context, both HtrA(1) and HtrA(2) were essential for thermal stress survival. However, only HtrA(1) had a slight effect on exoprotein expression. The htrA mutations did not diminish the virulence of the COL strain in the rat model of endocarditis. Our results indicate that HtrA proteins have different roles in S. aureus according to the strain, probably depending on specific differences in the regulation of virulence factor and stress protein expression. We propose that HtrA(1) and HtrA(2) contribute to pathogenicity by controlling the production of certain extracellular factors that are crucial for bacterial dissemination, as revealed in the RN6390 background. We speculate that HtrA proteins act in the agr-dependent regulation pathway by assuring folding and/or maturation of some surface components of the agr system.

Novel secreted proteases of Aspergillus fumigatus

Objectives: Sequencing and annotation of the genome of Aspergillus fumigatus has dramatically changed our knowledge about the proteins potentially encoded by the fungus. Own analysis have resulted in at least 47 of them contain a signal for secretion. Among those list we want to characterize those enzymes that may have impact on fungal growth outside and particularly inside the host. We thereby want to learn more about their function in general and to identify possible novel drug targets suited to combat invasive aspergillosis. Methods: Four groups of secreted proteases have been chosen for further analysis: 1 Serine-carboxyl proteases (sedolisins). Four of them were expressed in yeast and partly in bacteria. Substrate-specificity studies and kinetics as well as protein characterization of the yeast derived proteases were performed according to standard methods. Enzyme specific polyclonal antibodies were raised in rabbits using the peptides expressed in bacteria. Expression of proteases in A. fumigatus was investigated with these antibodies and gene knockout mutants for each enzyme as a control. All the following mentioned proteases will be investigated accordingly. 2 Two metalloproteases from the M12-family, ADAM-A and ADAM-B. Both proteases are likely membrane associated and may have inherent sheddase function as their counterparts in mammals. 3 One metalloprotease of the M43 family. An orthologue of this protease in Coccidioides posadasii is known to posses immunomodulating activities. 4 One putative endoprotease of the S28-family. An orthologue in Aspergillus niger is known to digest proline-rich proteins. In A. fumigatus this enzyme may facilitate invasion through proline-rich proteins like collagen. Results: All sedolisins expressed in yeast were proteolytically active: Three of them were characterized as tripeptidyl-peptidases whereas one enzyme is an endoprotease. Corresponding knockout mutants did not reveal a specific phenotype. Expression and investigations on all above mentioned proteases as well as generation of corresponding knockout mutants and double knockout mutants for the ADAMs, respectively, is underway. Promising candidates will be investigated in animal studies for reduced virulence. Conclusions : The real existence of so far hypothetical proteases predicted by the genome project was already demonstrated for the sedolisins by a reverse genetic approach (from gene to protein). With the aim of improving basic knowledge on function of other proteases potentially crucial for fungal growth and thus for pathogenesis, other hypothetical enzymes will be investigated. Those enzymes may turn out to be ideal drug targets for antimycotic chemotherapy.

Immunogold Detection of L-glutamate and D-serine in Small Synaptic-Like Microvesicles in Adult Hippocampal Astrocytes.

Glutamate and the N-methyl-D-aspartate receptor ligand D-serine are putative gliotransmitters. Here, we show by immunogold cytochemistry of the adult hippocampus that glutamate and D-serine accumulate in synaptic-like microvesicles (SLMVs) in the perisynaptic processes of astrocytes. The estimated concentration of fixed glutamate in the astrocytic SLMVs is comparable to that in synaptic vesicles of excitatory nerve terminals (∼45 and ∼55 mM, respectively), whereas the D-serine level is about 6 mM. The vesicles are organized in small spaced clusters located near the astrocytic plasma membrane. Endoplasmic reticulum is regularly found in close vicinity to SLMVs, suggesting that astrocytes contain functional nanodomains, where a local Ca(2+) increase can trigger release of glutamate and/or D-serine.