Hypoxia-induced inhibition of epithelial Na(+) channels in the lung. Role of Nedd4-2 and the ubiquitin-proteasome pathway.

Transepithelial sodium transport via alveolar epithelial Na(+) channels (ENaC) and Na(+),K(+)-ATPase constitutes the driving force for removal of alveolar edema fluid. Alveolar hypoxia associated with pulmonary edema may impair ENaC activity and alveolar Na(+) absorption through a decrease of ENaC subunit expression at the apical membrane of alveolar epithelial cells (AECs). Here, we investigated the mechanism(s) involved in this process in vivo in the β-Liddle mouse strain mice carrying a truncation of β-ENaC C-terminus abolishing the interaction between β-ENaC and the ubiquitin protein-ligase Nedd4-2 that targets the channel for endocytosis and degradation and in vitro in rat AECs. Hypoxia (8% O2 for 24 h) reduced amiloride-sensitive alveolar fluid clearance by 69% in wild-type mice but had no effect in homozygous mutated β-Liddle littermates. In vitro, acute exposure of AECs to hypoxia (0.5-3% O2 for 1-6 h) rapidly decreased transepithelial Na(+) transport as assessed by equivalent short-circuit current Ieq and the amiloride-sensitive component of Na(+) current across the apical membrane, reflecting ENaC activity. Hypoxia induced a decrease of ENaC subunit expression in the apical membrane of AECs with no change in intracellular expression and induced a 2-fold increase in α-ENaC polyubiquitination. Hypoxic inhibition of amiloride-sensitive Ieq was fully prevented by preincubation with the proteasome inhibitors MG132 and lactacystin or with the antioxidant N-acetyl-cysteine. Our data strongly suggest that Nedd4-2-mediated ubiquitination of ENaC leading to endocytosis and degradation of apical Na(+) channels is a key feature of hypoxia-induced inhibition of transepithelial alveolar Na(+) transport.

The L-Type Ca2+ and KATP channels may contribute to pacing-induced protection against anoxia-reoxygenation in the embryonic heart model

Rapport de synthèse : Implication des canaux Ca2+ de type L et des canaux KATP dans la protection induite par pacing dans un modèle de coeur embryonnaire soumis à l'anoxieréoxygénation. Contexte et but : le canal Ca2+ de type L, les canaux K+ du sarcolemme (sarcKatp) et de la mitochondrie (mitoKatp) interviennent dans le préconditionnement ischémique ou pharmacologique du myocarde. La présente étude cherche à déterminer dans quelle mesure ces canaux peuvent aussi jouer un rôle dans la cardioprotection induite par pacing. Méthodes :des coeurs d'embryons de poulet âgés de 4 jours ont été soumis in ovo à un pacing durant 12 heures, en pratiquant une stimulation électrique ventriculaire asynchrone intermittente à 110% de la fréquence cardiaque intrinsèque. Les coeurs contrôles (sham) et les coeurs stimulés ont ensuite été soumis in vitro à une période d'anoxie de 30 minutes, suivie d'une réoxygénation de 60 minutes. Les coeurs ont été exposés à l'agoniste du canal Ca2+ de type L (Bay-K-8644, BAY-K) ou à son bloqueur (vérapamil, VERAP), à l'antagoniste non sélectif des canaux KATP (glibenclamide, GLIB), ainsi qu'à l'agoniste du canal mitoKATP (diazoxide, DIAZO), ou à son antagoniste (5-hydroxydécanoate, 5-HD). L'électrocardiogramme, le délai électro-mécanique (DEM) reflétant le couplage excitation-contraction, ainsi que la contractilité myocardique ont été systématiquement déterminés pendant l'anoxieréoxygénation. Résultats : en normoxie, la fréquence cardiaque, l'intervalle QT, la conduction atrioventriculaire, le DEM et le raccourcissement ventriculaires étaient identiques dans les coeurs sham et les coeurs stimulés. Par contre, au cours de la réoxygénation post-anoxique, les arythmies cessaient plus précocément et le DEM ventriculaire retrouvait plus rapidement son niveau initial dans les coeurs stimulés, comparés aux sham. Dans les coeurs sham, BAY-K (mais pas le VERAP), DIAZO (mais pas le 5HD) ou GLIB accéléraient la récupération du DEM ventriculaire, reproduisant ainsi la protection induite par le pacing. En revanche, aucun de ces agents n'affectait la récupération des cceurs stimulés. Conclusion : un pacing ventriculaire chronique et intermittent délivré à une fréquence quasi physiologique améliore la tolérance myocardique à une anoxie-réoxygénation ultérieure. L'approche pharmacologique amontré qu'une activation discrète du canal Ca2+ de type L, une inhibition du canal sarcKATP et/ou une ouverture du canal mitoKATP peuvent contribuer à la cardioprotection induite par le pacing.

Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

Specific inhibition of HCN channels slows rhythm differently in atria, ventricle and outflow tract and stabilizes conduction in the anoxic-reoxygenated embryonic heart model.

The hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels are expressed in pacemaker cells very early during cardiogenesis. This work aimed at determining to what extent these channels are implicated in the electromechanical disturbances induced by a transient oxygen lack which may occur in utero. Spontaneously beating hearts or isolated ventricles and outflow tracts dissected from 4-day-old chick embryos were exposed to a selective inhibitor of HCN channels (ivabradine 0.1-10microM) to establish a dose-response relationship. The effects of ivabradine on electrocardiogram, excitation-contraction coupling and contractility of hearts submitted to anoxia (30min) and reoxygenation (60min) were also determined. The distribution of the predominant channel isoform, HCN4, was established in atria, ventricle and outflow tract by immunoblotting. Intrinsic beating rate of atria, ventricle and outflow tract was 164+/-22 (n=10), 78+/-24 (n=8) and 40+/-12bpm (n=23, mean+/-SD), respectively. In the whole heart, ivabradine (0.3microM) slowed the firing rate of atria by 16% and stabilized PR interval. These effects persisted throughout anoxia-reoxygenation, whereas the variations of QT duration, excitation-contraction coupling and contractility, as well as the types and duration of arrhythmias were not altered. Ivabradine (10microM) reduced the intrinsic rate of atria and isolated ventricle by 27% and 52%, respectively, whereas it abolished activity of the isolated outflow tract. Protein expression of HCN4 channels was higher in atria and ventricle than in the outflow tract. Thus, HCN channels are specifically distributed and control finely atrial, ventricular and outflow tract pacemakers as well as conduction in the embryonic heart under normoxia and throughout anoxia-reoxygenation.

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.

Dysregulation of voltage-gated sodium channels by ubiquitin ligase NEDD4-2 in neuropathic pain.

Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of voltage-gated sodium channels (Navs) expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons. The mechanisms underlying the altered expression of Navs remain unknown. This study investigated the role of the E3 ubiquitin ligase NEDD4-2, which is known to ubiquitylate Navs, in the pathogenesis of neuropathic pain in mice. The spared nerve injury (SNI) model of traumatic nerve injury-induced neuropathic pain was used, and an Nav1.7-specific inhibitor, ProTxII, allowed the isolation of Nav1.7-mediated currents. SNI decreased NEDD4-2 expression in DRG cells and increased the amplitude of Nav1.7 and Nav1.8 currents. The redistribution of Nav1.7 channels toward peripheral axons was also observed. Similar changes were observed in the nociceptive DRG neurons of Nedd4L knockout mice (SNS-Nedd4L-/-). SNS-Nedd4L-/- mice exhibited thermal hypersensitivity and an enhanced second pain phase after formalin injection. Restoration of NEDD4-2 expression in DRG neurons using recombinant adenoassociated virus (rAAV2/6) not only reduced Nav1.7 and Nav1.8 current amplitudes, but also alleviated SNI-induced mechanical allodynia. These findings demonstrate that NEDD4-2 is a potent posttranslational regulator of Navs and that downregulation of NEDD4-2 leads to the hyperexcitability of DRG neurons and contributes to the genesis of pathological pain.

Sediment budget monitoring of debris-flow and bedload transport in the Manival Torrent, SE France

Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. Event-based sediment budget monitoring in the active Manival debris-flow torrent in the French Alps during a two-year period gave insights into the catchment-scale sediment routing during moderate rainfall intensities which occur several times each year. The monitoring was based on intensive topographic resurveys of low- and high-order channels using different techniques (cross-section surveys with total station and high-resolution channel surveys with terrestrial and airborne laser scanning). Data on sediment output volumes from the main channel were obtained by a sediment trap. Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget analysis of the two debris-flows revealed that most of the debris-flow volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitude is proposed.

Post-translational modifications of voltage-gated sodium channels in chronic pain syndromes.

In the peripheral sensory nervous system the neuronal expression of voltage-gated sodium channels (Navs) is very important for the transmission of nociceptive information since they give rise to the upstroke of the action potential (AP). Navs are composed of nine different isoforms with distinct biophysical properties. Studying the mutations associated with the increase or absence of pain sensitivity in humans, as well as other expression studies, have highlighted Nav1.7, Nav1.8, and Nav1.9 as being the most important contributors to the control of nociceptive neuronal electrogenesis. Modulating their expression and/or function can impact the shape of the AP and consequently modify nociceptive transmission, a process that is observed in persistent pain conditions. Post-translational modification (PTM) of Navs is a well-known process that modifies their expression and function. In chronic pain syndromes, the release of inflammatory molecules into the direct environment of dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons leads to an abnormal activation of enzymes that induce Navs PTM. The addition of small molecules, i.e., peptides, phosphoryl groups, ubiquitin moieties and/or carbohydrates, can modify the function of Navs in two different ways: via direct physical interference with Nav gating, or via the control of Nav trafficking. Both mechanisms have a profound impact on neuronal excitability. In this review we will discuss the role of Protein Kinase A, B, and C, Mitogen Activated Protein Kinases and Ca++/Calmodulin-dependent Kinase II in peripheral chronic pain syndromes. We will also discuss more recent findings that the ubiquitination of Nav1.7 by Nedd4-2 and the effect of methylglyoxal on Nav1.8 are also implicated in the development of experimental neuropathic pain. We will address the potential roles of other PTMs in chronic pain and highlight the need for further investigation of PTMs of Navs in order to develop new pharmacological tools to alleviate pain.