International union of basic and clinical pharmacology. XCI. structure, function, and pharmacology of acid-sensing ion channels and the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na(+) channel (ENaC) and the acid-sensing ion channels (ASICs) form subfamilies within the ENaC/degenerin family of Na(+) channels. ENaC mediates transepithelial Na(+) transport, thereby contributing to Na(+) homeostasis and the maintenance of blood pressure and the airway surface liquid level. ASICs are H(+)-activated channels found in central and peripheral neurons, where their activation induces neuronal depolarization. ASICs are involved in pain sensation, the expression of fear, and neurodegeneration after ischemia, making them potentially interesting drug targets. This review summarizes the biophysical properties, cellular functions, and physiologic and pathologic roles of the ASIC and ENaC subfamilies. The analysis of the homologies between ENaC and ASICs and the relation between functional and structural information shows many parallels between these channels, suggesting that some mechanisms that control channel activity are shared between ASICs and ENaC. The available crystal structures and the discovery of animal toxins acting on ASICs provide a unique opportunity to address the molecular mechanisms of ENaC and ASIC function to identify novel strategies for the modulation of these channels by pharmacologic ligands.

On the molecular basis of ion permeation in the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na+ channel (ENaC) is highly selective for Na+ and Li+ over K+ and is blocked by the diuretic amiloride. ENaC is a heterotetramer made of two alpha, one beta, and one gamma homologous subunits, each subunit comprising two transmembrane segments. Amino acid residues involved in binding of the pore blocker amiloride are located in the pre-M2 segment of beta and gamma subunits, which precedes the second putative transmembrane alpha helix (M2). A residue in the alpha subunit (alphaS589) at the NH2 terminus of M2 is critical for the molecular sieving properties of ENaC. ENaC is more permeable to Li+ than Na+ ions. The concentration of half-maximal unitary conductance is 38 mM for Na+ and 118 mM for Li+, a kinetic property that can account for the differences in Li+ and Na+ permeability. We show here that mutation of amino acid residues at homologous positions in the pre-M2 segment of alpha, beta, and gamma subunits (alphaG587, betaG529, gammaS541) decreases the Li+/Na+ selectivity by changing the apparent channel affinity for Li+ and Na+. Fitting single-channel data of the Li+ permeation to a discrete-state model including three barriers and two binding sites revealed that these mutations increased the energy needed for the translocation of Li+ from an outer ion binding site through the selectivity filter. Mutation of betaG529 to Ser, Cys, or Asp made ENaC partially permeable to K+ and larger ions, similar to the previously reported alphaS589 mutations. We conclude that the residues alphaG587 to alphaS589 and homologous residues in the beta and gamma subunits form the selectivity filter, which tightly accommodates Na+ and Li+ ions and excludes larger ions like K+.

Nedd4-2-dependent ubiquitylation and regulation of the cardiac potassium channel hERG1.

The voltage-gated cardiac potassium channel hERG1 (human ether-à-gogo-related gene 1) plays a key role in the repolarization phase of the cardiac action potential (AP). Mutations in its gene, KCNH2, can lead to defects in the biosynthesis and maturation of the channel, resulting in congenital long QT syndrome (LQTS). To identify the molecular mechanisms regulating the density of hERG1 channels at the plasma membrane, we investigated channel ubiquitylation by ubiquitin ligase Nedd4-2, a post-translational regulatory mechanism previously linked to other ion channels. We found that whole-cell hERG1 currents recorded in HEK293 cells were decreased upon neural precursor cell expressed developmentally down-regulated 4-2 (Nedd4-2) co-expression. The amount of hERG1 channels in total HEK293 lysates and at the cell surface, as assessed by Western blot and biotinylation assays, respectively, were concomitantly decreased. Nedd4-2 and hERG1 interact via a PY motif located in the C-terminus of hERG1. Finally, we determined that Nedd4-2 mediates ubiquitylation of hERG1 and that deletion of this motif affects Nedd4-2-dependent regulation. These results suggest that ubiquitylation of the hERG1 protein by Nedd4-2, and its subsequent down-regulation, could represent an important mechanism for modulation of the duration of the human cardiac action potential.

Preferential assembly of epithelial sodium channel (ENaC) subunits in Xenopus oocytes: role of furin-mediated endogenous proteolysis.

The epithelial sodium channel (ENaC) is preferentially assembled into heteromeric alphabetagamma complexes. The alpha and gamma (not beta) subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous furin-like activity correlating with increased ENaC function. We identified full-length subunits and their fragments at the cell surface, as well as in the intracellular pool, for all homo- and heteromeric combinations (alpha, beta, gamma, alphabeta, alphagamma, betagamma, and alphabetagamma). We assayed corresponding channel function as amiloride-sensitive sodium transport (I(Na)). We varied furin-mediated proteolysis by mutating the P1 site in alpha and/or gamma subunit furin consensus cleavage sites (alpha(mut) and gamma(mut)). Our findings were as follows. (i) The beta subunit alone is not transported to the cell surface nor cleaved upon assembly with the alpha and/or gamma subunits. (ii) The alpha subunit alone (or in combination with beta and/or gamma) is efficiently transported to the cell surface; a surface-expressed 65-kDa alpha ENaC fragment is undetected in alpha(mut)betagamma, and I(Na) is decreased by 60%. (iii) The gamma subunit alone does not appear at the cell surface; gamma co-expressed with alpha reaches the surface but is not detectably cleaved; and gamma in alphabetagamma complexes appears mainly as a 76-kDa species in the surface pool. Although basal I(Na) of alphabetagamma(mut) was similar to alphabetagamma, gamma(mut) was not detectably cleaved at the cell surface. Thus, furin-mediated cleavage is not essential for participation of alpha and gamma in alphabetagamma heteromers. Basal I(Na) is reduced by preventing furin-mediated cleavage of the alpha, but not gamma, subunits. Residual current in the absence of furin-mediated proteolysis may be due to non-furin endogenous proteases.

On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Use-dependent block of the voltage-gated Na+ channel by tetrodotoxin and saxitoxin: Effect of pore mutations that change ionic selectivity.

Voltage-gated Na(+) channels (NaV channels) are specifically blocked by guanidinium toxins such as tetrodotoxin (TTX) and saxitoxin (STX) with nanomolar to micromolar affinity depending on key amino acid substitutions in the outer vestibule of the channel that vary with NaV gene isoforms. All NaV channels that have been studied exhibit a use-dependent enhancement of TTX/STX affinity when the channel is stimulated with brief repetitive voltage depolarizations from a hyperpolarized starting voltage. Two models have been proposed to explain the mechanism of TTX/STX use dependence: a conformational mechanism and a trapped ion mechanism. In this study, we used selectivity filter mutations (K1237R, K1237A, and K1237H) of the rat muscle NaV1.4 channel that are known to alter ionic selectivity and Ca(2+) permeability to test the trapped ion mechanism, which attributes use-dependent enhancement of toxin affinity to electrostatic repulsion between the bound toxin and Ca(2+) or Na(+) ions trapped inside the channel vestibule in the closed state. Our results indicate that TTX/STX use dependence is not relieved by mutations that enhance Ca(2+) permeability, suggesting that ion-toxin repulsion is not the primary factor that determines use dependence. Evidence now favors the idea that TTX/STX use dependence arises from conformational coupling of the voltage sensor domain or domains with residues in the toxin-binding site that are also involved in slow inactivation.

Genetic male infertility and mutation of CATSPER ion channels.

A clinically significant proportion of couples experience difficulty in conceiving a child. In about half of these cases male infertility is the cause and often genetic factors are involved. Despite advances in clinical diagnostics ∼50% of male infertility cases remain idiopathic. Based on this, further analysis of infertile males is required to identify new genetic factors involved in male infertility. This review focuses on cation channel of sperm (CATSPER)-related male infertility. It is based on PubMed literature searches using the keywords 'CATSPER', 'male infertility', 'male contraception', 'immunocontraception' and 'pharmacologic contraception' (publication dates from January 1979 to December 2009). Previously, contiguous gene deletions including the CATSPER2 gene implicated the sperm-specific CATSPER channel in syndromic male infertility (SMI). Recently, we identified insertion mutations of the CATSPER1 gene in families with recessively inherited nonsyndromic male infertility (NSMI). The CATSPER channel therefore represents a novel human male fertility factor. In this review we summarize the genetic and clinical data showing the role of CATSPER mutation in human forms of NSMI and SMI. In addition, we discuss clinical management and therapeutic options for these patients. Finally, we describe how the CATSPER channel could be used as a target for development of a male contraceptive.

The neuroretina is a novel mineralocorticoid target: aldosterone up-regulates ion and water channels in Müller glial cells.

Glucocorticoids reduce diabetic macular edema, but the mechanisms underlying glucocorticoid effects are imperfectly elucidated. Glucocorticoids may bind to glucocorticoid (GR) and mineralocorticoid (MR) receptors. We hypothesize that MR activation may influence retinal hydration. The effect of the MR agonist aldosterone (24 h) on ion/water channel expression (real-time PCR, Western blot, immunofluorescence) was investigated on cultured retinal Müller glial cells (RMGs, which contribute to fluid homeostasis in the retina), in Lewis rat retinal explants, and in retinas from aldosterone-injected eyes. We evidenced cell-specific expression of MR, GR, and 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase type II. Aldosterone significantly enhances expression of sodium and potassium channels ENaC-alpha (6.5-fold) and Kir4.1 (1.9-fold) through MR and GR occupancy, whereas aquaporin 4 (AQP4, 2.9-fold) up-regulation is MR-selective. Aldosterone intravitreous injection induces retinal swelling (24% increase compared to sham-injected eyes) and activation of RMGs. It promotes additional localization of Kir4.1 and AQP4 toward apical microvilli of RMGs. Our results highlight the mineralocorticoid-sensitivity of the neuroretina and show that aldosterone controls hydration of the healthy retina through regulation of ion/water channels expression in RMGs. These results provide a rationale for future investigations of abnormal MR signaling in the pathological retina.

Real-time recording of circadian liver gene expression in freely moving mice reveals the phase-setting behavior of hepatocyte clocks.

The mammalian circadian timing system consists of a master pacemaker in the suprachiasmatic nucleus (SCN) in the hypothalamus, which is thought to set the phase of slave oscillators in virtually all body cells. However, due to the lack of appropriate in vivo recording technologies, it has been difficult to study how the SCN synchronizes oscillators in peripheral tissues. Here we describe the real-time recording of bioluminescence emitted by hepatocytes expressing circadian luciferase reporter genes in freely moving mice. The technology employs a device dubbed RT-Biolumicorder, which consists of a cylindrical cage with reflecting conical walls that channel photons toward a photomultiplier tube. The monitoring of circadian liver gene expression revealed that hepatocyte oscillators of SCN-lesioned mice synchronized more rapidly to feeding cycles than hepatocyte clocks of intact mice. Hence, the SCN uses signaling pathways that counteract those of feeding rhythms when their phase is in conflict with its own phase.

Dual-channel electrospray microchip.

A dual-channel electrospray microchip has been developed for electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) where aqueous samples are mixed at the Taylor cone with an organic buffer. Due to the fast and effective mixing in the Taylor cone, the aqueous sample can be well ionized with a high ion intensity. The influence of geometric parameters such as the distance between the two microchannels at their junction at the tip of the emitter has been investigated together with chemical parameters such as the organic buffer composition.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

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.

Role of the ubiquitin system in regulating ion transport.

Ion channels and transporters play a critical role in ion and fluid homeostasis and thus in normal animal physiology and pathology. Tight regulation of these transmembrane proteins is therefore essential. In recent years, many studies have focused their attention on the role of the ubiquitin system in regulating ion channels and transporters, initialed by the discoveries of the role of this system in processing of Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator (CFTR), and in regulating endocytosis of the epithelial Na(+) channel (ENaC) by the Nedd4 family of ubiquitin ligases (mainly Nedd4-2). In this review, we discuss the role of the ubiquitin system in ER Associated Degradation (ERAD) of ion channels, and in the regulation of endocytosis and lysosomal sorting of ion channels and transporters, focusing primarily in mammalian cells. We also briefly discuss the role of ubiquitin like molecules (such as SUMO) in such regulation, for which much less is known so far.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

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.