Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

Rufinamide Attenuates Mechanical Allodynia in a Model of Neuropathic Pain in the Mouse and Stabilizes Voltage-gated Sodium Channel Inactivated State.

BACKGROUND:: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. METHODS:: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. RESULTS:: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6-1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2-2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4-15.5) to 30.0 s (21.8-31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. CONCLUSIONS:: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

Intracellular thiol-mediated modulation of epithelial sodium channel activity.

The epithelial sodium channel ENaC is physiologically important in the kidney for the regulation of the extracellular fluid volume, and in the lungs for the maintenance of the appropriate airway surface liquid volume that lines the pulmonary epithelium. Besides the regulation of ENaC by hormones, intracellular factors such as Na(+) ions, pH, or Ca(2+) are responsible for fast adaptive responses of ENaC activity to changes in the intracellular milieu. In this study, we show that ENaC is rapidly and reversibly inhibited by internal sulfhydryl-reactive molecules such as methanethiosulfonate derivatives of different sizes, the metal cations Cd(2+) and Zn(2+), or copper(II) phenanthroline, a mild oxidizing agent that promotes the formation of disulfide bonds. At the single channel level, these agents applied intracellularly induce the appearance of long channel closures, suggesting an effect on ENaC gating. The intracellular reducing agent dithiothreitol fully reverses the rundown of ENaC activity in inside-out patches. Our observations suggest that changes in intracellular redox potential modulate ENaC activity and may regulate ENaC-mediated Na(+) transport in epithelia. Finally, substitution experiments reveal that multiple cysteine residues in the amino and carboxyl termini of ENaC subunits are responsible for this thiol-mediated inhibition of ENaC.

The epithelial sodium channel and the control of sodium balance.

Studies aiming at the elucidation of the genetic basis of rare monogenic forms of hypertension have identified mutations in genes coding for the epithelial sodium channel ENaC, for the mineralocorticoid receptor, or for enzymes crucial for the synthesis of aldosterone. These genetic studies clearly demonstrate the importance of the regulation of Na(+) absorption in the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), for the maintenance of the extracellular fluid volume and blood pressure. Recent studies aiming at a better understanding of the cellular and molecular basis of ENaC-mediated Na(+) absorption in the distal part of nephron, have essentially focused on the regulation ENaC activity and on the aldosterone-signaling cascade. ENaC is a constitutively open channel, and factors controlling the number of active channels at the cell surface are likely to have profound effects on Na(+) absorption in the ASDN, and in the amount of Na(+) that is excreted in the final urine. A number of membrane-bound proteases, kinases, have recently been identified that increase ENaC activity at the cell surface in heterologous expressions systems. Ubiquitylation is a general process that regulates the stability of a variety of target proteins that include ENaC. Recently, deubiquitylating enzymes have been shown to increase ENaC activity in heterologous expressions systems. These regulatory mechanisms are likely to be nephron specific, since in vivo studies indicate that the adaptation of the renal excretion of Na(+) in response to Na(+) diet occurs predominantly in the early part (the connecting tubule) of the ASDN. An important work is presently done to determine in vivo the physiological relevance of these cellular and molecular mechanisms in regulation of ENaC activity. The contribution of the protease-dependent ENaC regulation in mediating Na(+) absorption in the ASDN is still not clearly understood. The signaling pathway that involves ubiquitylation of ENaC does not seem to be absolutely required for the aldosterone-mediated control of ENaC. These in vivo physiological studies presently constitute a major challenge for our understanding of the regulation of ENaC to maintain the Na(+) balance.

β1- and β3- voltage-gated sodium channel subunits modulate cell surface expression and glycosylation of Nav1.7 in HEK293 cells.

Voltage-gated sodium channels (Navs) are glycoproteins composed of a pore-forming α-subunit and associated β-subunits that regulate Nav α-subunit plasma membrane density and biophysical properties. Glycosylation of the Nav α-subunit also directly affects Navs gating. β-subunits and glycosylation thus comodulate Nav α-subunit gating. We hypothesized that β-subunits could directly influence α-subunit glycosylation. Whole-cell patch clamp of HEK293 cells revealed that both β1- and β3-subunits coexpression shifted V ½ of steady-state activation and inactivation and increased Nav1.7-mediated I Na density. Biotinylation of cell surface proteins, combined with the use of deglycosydases, confirmed that Nav1.7 α-subunits exist in multiple glycosylated states. The α-subunit intracellular fraction was found in a core-glycosylated state, migrating at ~250 kDa. At the plasma membrane, in addition to the core-glycosylated form, a fully glycosylated form of Nav1.7 (~280 kDa) was observed. This higher band shifted to an intermediate band (~260 kDa) when β1-subunits were coexpressed, suggesting that the β1-subunit promotes an alternative glycosylated form of Nav1.7. Furthermore, the β1-subunit increased the expression of this alternative glycosylated form and the β3-subunit increased the expression of the core-glycosylated form of Nav1.7. This study describes a novel role for β1- and β3-subunits in the modulation of Nav1.7 α-subunit glycosylation and cell surface expression.

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.

A novel vasopressin-induced transcript promotes MAP kinase activation and ENaC downregulation.

In the principal cell of the renal collecting duct, vasopressin regulates the expression of a gene network responsible for sodium and water reabsorption through the regulation of the water channel and the epithelial sodium channel (ENaC). We have recently identified a novel vasopressin-induced transcript (VIT32) that encodes for a 142 amino acid vasopressin-induced protein (VIP32), which has no homology with any protein of known function. The Xenopus oocyte expression system revealed two functions: (i) when injected alone, VIT32 cRNA rapidly induces oocyte meiotic maturation through the activation of the maturation promoting factor, the amphibian homolog of the universal M phase trigger Cdc2/cyclin; and (ii) when co-injected with the ENaC, VIT32 cRNA selectively downregulates channel activity, but not channel cell surface expression. In the kidney principal cell, VIP32 may be involved in the downregulation of transepithelial sodium transport observed within a few hours after vasopressin treatment. VIP32 belongs to a novel gene family ubiquitously expressed in oocyte and somatic cells that may be involved in G to M transition and cell cycling.

Mineralocorticoid effects in the kidney: correlation between alphaENaC, GILZ, and Sgk-1 mRNA expression and urinary excretion of Na+ and K+.

Aldosterone exerts its effects through interactions with two types of binding sites, the mineralocorticoid (MR) and the glucocorticoid (GR) receptors. Although both receptors are known to be involved in the anti-natriuretic response to aldosterone, the mechanisms of signal transduction leading to modulation of electrolyte transport are not yet fully understood. This study measured the Na(+) and K(+) urinary excretion and the mRNA levels of three known aldosterone-induced transcripts, the serum and glucocorticoid-induced kinase (Sgk-1), the alpha subunit of the epithelial Na(+) channel (alphaENaC), and the glucocorticoid-induced-leucine-zipper protein (GILZ) in the whole kidney and in isolated cortical collecting tubules of adrenalectomized rats treated with low doses of aldosterone and/or dexamethasone. The resulting plasma concentrations of both steroids were close to 1 nmol/L. Aldosterone, given with or without dexamethasone, induced anti-natriuresis and kaliuresis, whereas dexamethasone alone did not. GILZ and alphaENaC transcripts were higher after treatment with either or both hormones, whereas the mRNA abundance of Sgk-1 was increased in the cortical collecting tubule by aldosterone but not by dexamethasone. We conclude the increased expression of Sgk-1 in the cortical collecting tubules is a primary event in the early antinatriuretic and kaliuretic responses to physiologic concentrations of aldosterone. Induction of alphaENaC and/or GILZ mRNAs may play a permissive role in the enhancement of the early and/or late responses; these effects may be necessary for a full response but do not by themselves promote early changes in urinary Na(+) and K(+) excretion.

NF-kappaB inhibits sodium transport via down-regulation of SGK1 in renal collecting duct principal cells.

Tubulointerstitial inflammation is a common feature of renal diseases. We have investigated the relationship between inflammation and Na(+) transport in the collecting duct (CD) using the mCCD(cl1) and mpkCDD(cl4) principal cell models. Lipopolysaccharide (LPS) decreased basal and aldosterone-stimulated amiloride-sensitive transepithelial current in a time-dependent manner. This effect was associated with a decrease in serum and glucocorticoid-regulated kinase 1 (SGK1) mRNA and protein levels followed by a decrease in epithelial sodium channel (ENaC) alpha-subunit mRNA levels. The LPS-induced decrease in SGK1 expression was confirmed in isolated rat CD. This decreased expression of either SGK1 or the ENaC alpha-subunit was not due to enhanced degradation of mRNA. In contrast, LPS inhibited transcriptional activity of the SGK1 promoter measured by luciferase-reporter gene assay. The effect of LPS was not mediated by inhibition of mineralocorticoid or glucocorticoid receptor, because expression of both receptors was unchanged and blockade of either receptor by spironolactone or RU486, respectively, did not prevent the down-regulation of SGK1. The effect of LPS was mediated by the canonical NF-kappaB pathway, as overexpression of a constitutively active mutant, IKKbeta (inhibitor of nuclear factor kappaB kinase-beta) decreased SGK1 mRNA levels, and knockdown of p65 NF-kappaB subunit by small interfering RNA increased SGK1 mRNA levels. Chromatin immunoprecipitation showed that LPS increased p65 binding to two NF-kappaB sites along the SGK1 promoter. In conclusion, we show that activation of the NF-kappaB pathway down-regulates SGK1 expression, which might lead to decreased ENaC alpha-subunit expression, ultimately resulting in decreased Na(+) transport.

A comprehensive analysis of gene expression profiles in distal parts of the mouse renal tubule.

The distal parts of the renal tubule play a critical role in maintaining homeostasis of extracellular fluids. In this review, we present an in-depth analysis of microarray-based gene expression profiles available for microdissected mouse distal nephron segments, i.e., the distal convoluted tubule (DCT) and the connecting tubule (CNT), and for the cortical portion of the collecting duct (CCD; Zuber et al., Proc Natl Acad Sci USA 106:16523-16528, 2009). Classification of expressed transcripts in 14 major functional gene categories demonstrated that all principal proteins involved in maintaining the salt and water balance are represented by highly abundant transcripts. However, a significant number of transcripts belonging, for instance, to categories of G-protein-coupled receptors or serine/threonine kinases exhibit high expression levels but remain unassigned to a specific renal function. We also established a list of genes differentially expressed between the DCT/CNT and the CCD. This list is enriched by genes related to segment-specific transport functions and by transcription factors directing the development of the distal nephron or collecting ducts. Collectively, this in silico analysis provides comprehensive information about relative abundance and tissue specificity of the DCT/CNT and the CCD expressed transcripts and identifies new candidate genes for renal homeostasis.

Licorice-induced hypertension and common variants of genes regulating renal sodium reabsorption.

AIM: To study if gene alterations affecting renal sodium reabsorption associate with susceptibility to licorice-induced hypertension.METHODS: Finnish subjects (n = 30) with a previously documented incident of licorice-induced hypertension were recruited for the study using a newspaper announcement. Their previous clinical and family histories as well as serum electrolyte levels were examined. DNA samples from all individuals were screened for variants of the genes encoding 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11betaHSD2) and alpha-, beta-, and gamma-subunits of the epithelial sodium channel (ENaC).RESULTS: Upon licorice predisposition, the patients had a mean blood pressure of 201/118 mmHg. Circulating potassium, renin, and aldosterone levels were low. No significant DNA variations were identified in the 11betaHSD2 gene. Four subjects were heterozygous for beta- and gammaENaC variants previously shown to be associated with hypertension. Furthermore, a novel G insertion (2004-2005insG) in the SCNN1A gene encoding the alphaENaC was identified in two subjects. The frequency of these ENaC variants was significantly higher in subjects with licorice-induced hypertension (6/30 i.e. 20%) than in blood donors (11/301 i.e. 3.7%, P = 0.002).CONCLUSIONS: Defects of the 11betaHSD2 gene do not constitute a likely cause for licorice-induced hypertension. Variants of the ENaC subunits may render some individuals sensitive to licorice-induced metabolic alterations and hypertension.

ENaC-mediated alveolar fluid clearance and lung fluid balance depend on the channel-activating protease 1.

Sodium transport via epithelial sodium channels (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells (AEC) provides the driving force for removal of fluid from the alveolar space. The membrane-bound channel-activating protease 1 (CAP1/Prss8) activates ENaC in vitro in various expression systems. To study the role of CAP1/Prss8 in alveolar sodium transport and lung fluid balance in vivo, we generated mice lacking CAP1/Prss8 in the alveolar epithelium using conditional Cre-loxP-mediated recombination. Deficiency of CAP1/Prss8 in AEC induced in vitro a 40% decrease in ENaC-mediated sodium currents. Sodium-driven alveolar fluid clearance (AFC) was reduced in CAP1/Prss8-deficient mice, due to a 48% decrease in amiloride-sensitive clearance, and was less sensitive to beta(2)-agonist treatment. Intra-alveolar treatment with neutrophil elastase, a soluble serine protease activating ENaC at the cell surface, fully restored basal AFC and the stimulation by beta(2)-agonists. Finally, acute volume-overload increased alveolar lining fluid volume in CAP1/Prss8-deficient mice. This study reveals that CAP1 plays a crucial role in the regulation of ENaC-mediated alveolar sodium and water transport and in mouse lung fluid balance.

PDZ domain-binding motif regulates cardiomyocyte compartment-specific NaV1.5 channel expression and function.

BACKGROUND: Sodium channel NaV1.5 underlies cardiac excitability and conduction. The last 3 residues of NaV1.5 (Ser-Ile-Val) constitute a PDZ domain-binding motif that interacts with PDZ proteins such as syntrophins and SAP97 at different locations within the cardiomyocyte, thus defining distinct pools of NaV1.5 multiprotein complexes. Here, we explored the in vivo and clinical impact of this motif through characterization of mutant mice and genetic screening of patients. METHODS AND RESULTS: To investigate in vivo the regulatory role of this motif, we generated knock-in mice lacking the SIV domain (ΔSIV). ΔSIV mice displayed reduced NaV1.5 expression and sodium current (INa), specifically at the lateral myocyte membrane, whereas NaV1.5 expression and INa at the intercalated disks were unaffected. Optical mapping of ΔSIV hearts revealed that ventricular conduction velocity was preferentially decreased in the transversal direction to myocardial fiber orientation, leading to increased anisotropy of ventricular conduction. Internalization of wild-type and ΔSIV channels was unchanged in HEK293 cells. However, the proteasome inhibitor MG132 rescued ΔSIV INa, suggesting that the SIV motif is important for regulation of NaV1.5 degradation. A missense mutation within the SIV motif (p.V2016M) was identified in a patient with Brugada syndrome. The mutation decreased NaV1.5 cell surface expression and INa when expressed in HEK293 cells. CONCLUSIONS: Our results demonstrate the in vivo significance of the PDZ domain-binding motif in the correct expression of NaV1.5 at the lateral cardiomyocyte membrane and underline the functional role of lateral NaV1.5 in ventricular conduction. Furthermore, we reveal a clinical relevance of the SIV motif in cardiac disease.

Regulation of sodium transport in the cortical collecting duct : physiological role of GILZ in vitro and in vivo : characterisation of Na+ transport in the mCCDcl1 cell line

SUMMARY Regulation of sodium excretion by the kidney is a key mechanism in the long term regulation of blood pressure, and when altered it constitutes a risk factor for the appearance of arterial hypertension. Aldosterone, which secretion depends upon salt intake in the diet, is a steroid hormone that regulates sodium reabsorption in the distal part of the nephron (functional unit of the kidney) by modulating gene transcription. It has been shown that it can act synergistically with the peptidic hormone insulin through the interaction of their signalisation pathways. Our work consisted of two distinct parts: 1) the in vitro and in vivo characterisation of Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper (GILZ) (an aldosterone-induced gene) mechanism of action; 2) the in vitro characterisation of insulin mechanism of action and its interaction with aldosterone. GILZ mRNA, coded by the TSC22D3 gene, is strongly induced by aldosterone in the cell line of principal cells of the cortical collecting duct (CCD) mpkCCDc14, suggesting that GILZ is a mediator of aldosterone response. Co-expression of GILZ and the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC in vitro in the Xenopus oocyte expression system showed that GILZ has no direct effect on the ENaC-mediated Na+ current in basal conditions. To define the role of GILZ in the kidney and in other organs (colon, heart, skin, etc.), a conditional knock-out mouse is being produced and will allow the in vivo study of its role. Previous data showed that insulin induced a transepithelial sodium transport at supraphysiological concentrations. Insulin and the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) are able to bind to each other receptor with an affinity 50 to 100 times lower than to their cognate receptor. Our starting hypothesis was that the insulin effect observed at these supraphysiological concentrations is actually mediated by the IGF receptor type 1 (IGF-1R). In a new cell line that presents all the characteristics of the principal cells of the CCD (mCCDc11) we have shown that both insulin and IGF-1 induce a physiologically significant increase of Na+ transport through the activation of IGF-1R. Aldosterone and insulin/IGF-1 have an additive effect on Na+ transport, through the activation of the PI3-kinase (PI3-K) pathway and the phosphorylation of the serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) by the IGF-1R, and the induction of Sgk1 expression by aldosterone. Thus, Sgk1 integrates IGF-1/insulin and aldosterone effects. We suggest that IGF-1 is physiologically relevant in the modulation of sodium balance, while insulin can only regulate Na+ transport at supraphysiological conditions. Both hormones would bind to the IGF-1R and induce Na+ transport by activating the PI3-K PDK1/2 - Sgk1 pathway. We have shown for the first time that Sgk1 is expressed and phosphorylated in principal cells of the CCD in basal conditions, although the mechanism that maintains Sgk1 phosphorylation is not known. This new role for IGF-1 suggests that it could be a salt susceptibility gene. In effect, IGF-1 stimulates Na+ and water transport in the kidney in vivo. Moreover, 35 % of the acromegalic patients (overproduction of growth hormone and IGF-1) are hypertensives (higher proportion than in normal population), and genetic analysis suggest a link between the IGF-1 gene locus and blood pressure. RÉSUMÉ La régulation de l'excrétion rénale de sodium (Na+) joue un rôle principal dans le contrôle à long terme de la pression sanguine, et ses altérations constituent un facteur de risque de l'apparition d'une hypertension artérielle. L'aldosterone, dont la sécrétion dépend de l'apport en sel dans la diète, est une hormone stéroïdienne qui régule la réabsorption de Na+ dans la partie distale du nephron (unité fonctionnelle du rein) en contrôlant la transcription de gènes. Elle peut agir de façon synergistique avec l'hormone peptidique insuline, probablement via l'interaction de leurs voies de signalisation cellulaire. Le but de notre travail comportait deux volets: 1) caractériser in vitro et in vivo le mécanisme d'action du Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ) (un gène induit par l'aldosterone); 2) caractériser in vitro le mécanisme d'action de l'insuline et son interaction avec l'aldosterone. L'ARNm de GILZ, codé par le gène TSC22D3, est induit par l'aldosterone dans la lignée cellulaire de cellules principales du tubule collecteur cortical (CCD) mpkCCDc14, suggérant que GILZ est un médiateur potentiel de la réponse à l'aldosterone. La co-expression in vitro de GILZ et du canal à Na+ sensible à l'amiloride ENaC dans le système d'expression de l'oocyte de Xénope a montré que GILZ n'a pas d'effet sur les courants sodiques véhiculées par ENaC en conditions basales. Une souris knock-out conditionnelle de GILZ est en train d'être produite et permettra l'étude in vivo de son rôle dans le rein et d'autres organes. Des expériences préliminaires ont montré que l'insuline induit un transport transépithelial de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. L'insuline et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1) peuvent se lier à leurs récepteurs réciproques avec une affinité 50 à 100 fois moindre qu'à leur propre récepteur. Nous avons donc proposé que l'effet de l'insuline soit médié par le récepteur à l'IGF type 1 (IGF-1R). Dans une nouvelle lignée cellulaire qui présente toutes les caractéristiques des cellules principales du CCD (mCCDc11) nous avons montré que les deux hormones induisent une augmentation physiologiquement significative du transport du Na+ par l'activation des IGF-1 R. Aldosterone et insuline/IGF-1 ont un effet additif sur le transport de Na+, via l'activation de la voie de la PI3-kinase et la phosphorylation de la serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) par l'IGF-1R, dont l'expression est induite par l'aldosterone. Sgk1 intègre les effets de l'insuline et l'aldosterone. Nous proposons que l'IGF-1 joue un rôle dans la modulation physiologique de la balance sodique, tandis que l'insuline régule le transport de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. Les deux hormones agissent en se liant à l'IGF-1R et induisent le transport de Na+ en activant la cascade de signalisation PI3-K - PDK1/2 - Sgk1. Nous avons montré pour la première fois que Sgk1 est exprimée et phosphorylée dans des conditions basales dans les cellules principales du CCD, mais le mécanisme qui maintient sa phosphorylation n'est pas connu. Ce nouveau rôle pour l'IGF-1 suggère qu'il pourrait être un gène impliqué de susceptibilité au sel. Aussi, l'IGF-1 stimule le transport rénal de Na+ in vivo. De plus, 35 % des patients atteints d'acromégalie (surproduction d'hormone de croissance et d'IGF-1) sont hypertensifs (prévalence plus élevée que la population normale), et des analyses génétiques suggèrent un lien entre le locus du gène de l'IGF-1 et la pression sanguine. RÉSUMÉ GRAND PUBLIC Nos ancêtres se sont génétiquement adaptés pendant des centaines de millénaires à un environnement pauvre en sel (chlorure de sodium) dans la savane équatoriale, où ils consommaient moins de 0,1 gramme de sel par jour. On a commencé à ajouter du sel aux aliments avec l'apparition de l'agriculture (il y a 5000 à 10000 années), et aujourd'hui une diète omnivore, qui inclut des plats préparés, contient plusieurs fois la quantité de sodium nécessaire pour notre fonction physiologique normale (environ 10 grammes par jour). Le corps garde sa concentration constante dans le sang en s'adaptant à une consommation très variable de sel. Pour ceci, il module son excrétion soit directement, soit en sécrétant des hormones régulatrices. Le rein joue un rôle principal dans cette régulation puisque l'excrétion urinaire de sel change selon la diète et peut aller d'une quantité dérisoire à plus de 36 grammes par jour. L'attention qu'on prête au sel est liée à sa relation avec l'hypertension essentielle. Ainsi, le contrôle rénal de l'excrétion de sodium et d'eau est le principal mécanisme dans la régulation de la pression sanguine, et une ingestion excessive de sel pourrait être l'un des facteurs-clé déclenchant l'apparition d'un phénotype hypertensif. L'hormone aldosterone diminue l'excrétion de sodium par le rein en modulant l'expression de gènes qui pourraient être impliqués dans la sensibilité au sel. Dans une lignée cellulaire de rein l'expression du gène TSC22D3, qui se traduit en la protéine Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ), est fortement induite par l'aldosterone. Ceci suggère que GILZ est un médiateur potentiel de l'effet de l'aldosterone, et pourrait être impliqué dans la sensibilité au sel. Pour analyser la fonction de GILZ dans le rein plusieurs approches ont été utilisées. Par exemple, une souris dans laquelle GILZ est spécifiquement inactivé dans le rein est en train d'être produite et permettra l'étude du rôle de GILZ dans l'organisme. De plus, on a montré que GILZ, en conditions basales, n'a pas d'effet direct sur la protéine transportant le sodium à travers la membrane des cellules, le canal sodique épithélial ENaC. On a aussi essayé de trouver des protéines qui interagissent directement avec GILZ utilisant une technique appelée du « double-hybride dans la levure », mais aucun candidat n'a émergé. Des études ont montré que, à de hautes concentrations, l'insuline peut aussi diminuer l'excrétion de sodium. A ces concentrations, elle peut activer son récepteur spécifique, mais aussi le récepteur d'une autre hormone, l'Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1). En plus, l'infusion d'IGF-1 augmente la rétention rénale de sodium et d'eau, et des mutations du gène codant pour l'IGF-1 sont liées aux différents niveaux de pression sanguine. On a utilisé une nouvelle lignée cellulaire de rein développée dans notre laboratoire, appelée mCCDc11, pour analyser l'importance relative des deux hormones dans l'induction du transport de sodium. On a montré que les deux hormones induisent une augmentation significative du transport de sodium par l'activation de récepteurs à l'IGF-1 et non du récepteur à l'insuline. On a montré qu'à l'intérieur de la cellule leur activation induit une augmentation du transport sodique par le biais du canal ENaC en modifiant la quantité de phosphates fixés sur la protéine Serumand Glucocorticoid-induced Kinase 1 (Sgk1). On a finalement montré que l'IGF-1 et l'aldosterone ont un effet additif sur le transport de sodium en agissant toutes les deux sur Sgk1, qui intègre leurs effets dans le contrôle du transport de sodium dans le rein.