Ubiquitin-specific protease 2-45 (Usp2-45) binds to epithelial Na+ channel (ENaC)-ubiquitylating enzyme Nedd4-2.

Regulation of the epithelial Na(+) channel (ENaC) by ubiquitylation is controlled by the activity of two counteracting enzymes, the E3 ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 (mouse ortholog of human Nedd4L) and the ubiquitin-specific protease Usp2-45. Previously, Usp2-45 was shown to decrease ubiquitylation and to increase surface function of ENaC in Xenopus laevis oocytes, whereas the splice variant Usp2-69, which has a different N-terminal domain, was inactive toward ENaC. It is shown here that the catalytic core of Usp2 lacking the N-terminal domain has a reduced ability relative to Usp2-45 to enhance ENaC activity in Xenopus oocytes. In contrast, its catalytic activity toward the artificial substrate ubiquitin-AMC is fully maintained. The interaction of Usp2-45 with ENaC exogenously expressed in HEK293 cells was tested by coimmunoprecipitation. The data indicate that different combinations of ENaC subunits, as well as the α-ENaC cytoplasmic N-terminal but not C-terminal domain, coprecipitate with Usp2-45. This interaction is decreased but not abolished when the cytoplasmic ubiquitylation sites of ENaC are mutated. Importantly, coimmunoprecipitation in HEK293 cells and GST pull-down of purified recombinant proteins show that both the catalytic domain and the N-terminal tail of Usp2-45 physically interact with the HECT domain of Nedd4-2. Taken together, the data support the conclusion that Usp2-45 action on ENaC is promoted by various interactions, including through binding to Nedd4-2 that is suggested to position Usp2-45 favorably for ENaC deubiquitylation.

Detection and measurement of paracaspase MALT1 activity.

The paracaspase MALT1 is a Cys-dependent, Arg-specific protease that plays an essential role in the activation and proliferation of lymphocytes during the immune response. Oncogenic activation of MALT1 is associated with the development of specific forms of B-cell lymphomas. Through specific cleavage of its substrates, MALT1 controls various aspects of lymphocyte activation, including the activation of transcriptional pathways, the stabilization of mRNAs, and an increase in cellular adhesion. In lymphocytes, the activity of MALT1 is tightly controlled by its inducible monoubiquitination, which promotes the dimerization of MALT1. Here, we describe both in vitro and in vivo assays that have been developed to assess MALT1 activity.

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.

Increased titers of anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies in Crohn's disease patients with reduced H-ficolin levels but normal MASP-2 activity.

BACKGROUND AND AIMS: Mannan-binding lectin (MBL) and ficolins are microbial pattern recognition molecules that activate the lectin pathway of complement. We previously reported the association of MBL deficiency with anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies (ASCA) in patients with Crohn's disease (CD). However, ASCA are also frequently found in MBL-proficient CD patients. Here we addressed expression/function of ficolins and MBL-associated serine protease-2 (MASP-2) regarding potential association with ASCA. METHODS: ASCA titers and MBL, ficolin and MASP-2 concentrations were determined by ELISA in the serum of patients with CD, ulcerative colitis (UC), and in healthy controls. MASP-2 activity was determined by measuring complement C4b-fixation. Anti-MBL autoantibodies were detected by ELISA. RESULTS: In CD and UC patients, L-ficolin concentrations were significantly higher compared to healthy controls (p<0.001 and p=0.029). In contrast, H-ficolin concentrations were slightly reduced in CD and UC compared to healthy controls (p=0.037 for UC vs. hc). CD patients with high ASCA titers had significantly lower H-ficolin concentrations compared to ASCA-low/negative CD patients (p=0.009). However, MASP-2 activity was not different in ASCA-negative and ASCA-positive CD patients upon both, ficolin- or MBL-mediated MASP-2 activation. Finally, anti-MBL autoantibodies were not over-represented in MBL-proficient ASCA-positive CD patients. CONCLUSIONS: Our results suggest that low expression of H-ficolin may promote elevated ASCA titers in the ASCA-positive subgroup of CD patients. However, unlike MBL deficiency, we found no evidence for low expression of serum ficolins or reduced MASP-2 activity that may predispose to ASCA development.

Small-molecule inhibitor of USP7/HAUSP ubiquitin protease stabilizes and activates p53 in cells.

Deregulation of the ubiquitin/proteasome system has been implicated in the pathogenesis of many human diseases, including cancer. Ubiquitin-specific proteases (USP) are cysteine proteases involved in the deubiquitination of protein substrates. Functional connections between USP7 and essential viral proteins and oncogenic pathways, such as the p53/Mdm2 and phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B networks, strongly suggest that the targeting of USP7 with small-molecule inhibitors may be useful for the treatment of cancers and viral diseases. Using high-throughput screening, we have discovered HBX 41,108, a small-molecule compound that inhibits USP7 deubiquitinating activity with an IC(50) in the submicromolar range. Kinetics data indicate an uncompetitive reversible inhibition mechanism. HBX 41,108 was shown to affect USP7-mediated p53 deubiquitination in vitro and in cells. As RNA interference-mediated USP7 silencing in cancer cells, HBX 41,108 treatment stabilized p53, activated the transcription of a p53 target gene without inducing genotoxic stress, and inhibited cancer cell growth. Finally, HBX 41,108 induced p53-dependent apoptosis as shown in p53 wild-type and null isogenic cancer cell lines. We thus report the identification of the first lead-like inhibitor against USP7, providing a structural basis for the development of new anticancer drugs.

Endogenous protease nexin-1 protects against cerebral ischemia.

The serine protease thrombin plays a role in signalling ischemic neuronal death in the brain. Paradoxically, endogenous neuroprotective mechanisms can be triggered by preconditioning with thrombin (thrombin preconditioning, TPC), leading to tolerance to cerebral ischemia. Here we studied the role of thrombin's endogenous potent inhibitor, protease nexin-1 (PN-1), in ischemia and in tolerance to cerebral ischemia induced by TPC. Cerebral ischemia was modelled in vitro in organotypic hippocampal slice cultures from rats or genetically engineered mice lacking PN-1 or with the reporter gene lacZ knocked into the PN-1 locus PN-1HAPN-1-lacZ/HAPN-1-lacZ (PN-1 KI) exposed to oxygen and glucose deprivation (OGD). We observed increased thrombin enzyme activity in culture homogenates 24 h after OGD. Lack of PN-1 increased neuronal death in the CA1, suggesting that endogenous PN-1 inhibits thrombin-induced neuronal damage after ischemia. OGD enhanced β-galactosidase activity, reflecting PN-1 expression, at one and 24 h, most strikingly in the stratum radiatum, a glial cell layer adjacent to the CA1 layer of ischemia sensitive neurons. TPC, 24 h before OGD, additionally increased PN-1 expression 1 h after OGD, compared to OGD alone. TPC failed to induce tolerance in cultures from PN-1(-/-) mice confirming PN-1 as an important TPC target. PN-1 upregulation after TPC was blocked by the c-Jun N-terminal kinase (JNK) inhibitor, L-JNKI1, known to block TPC. This work suggests that PN-1 is an endogenous neuroprotectant in cerebral ischemia and a potential target for neuroprotection.

Aspergillus protein degradation pathways with different secreted protease sets at neutral and acidic pH.

Aspergillus fumigatus grows well at neutral and acidic pH in a medium containing protein as the sole nitrogen source by secreting two different sets of proteases. Neutral pH favors the secretion of neutral and alkaline endoproteases, leucine aminopeptidases (Laps) which are nonspecific monoaminopeptidases, and an X-prolyl dipeptidase (DppIV). Acidic pH environment promotes the secretion of an aspartic endoprotease of pepsin family (Pep1) and tripeptidyl-peptidases of the sedolisin family (SedB and SedD). A novel prolyl peptidase, AfuS28, was found to be secreted in both alkaline and acidic conditions. In previous studies, Laps were shown to degrade peptides from their N-terminus until an X-Pro sequence acts as a stop signal. X-Pro sequences can be then removed by DppIV, which allows Laps access to the following residues. We have shown that at acidic pH Seds degrade large peptides from their N-terminus into tripeptides until Pro in P1 or P'1 position acts as a stop for these exopeptidases. However, X-X-Pro and X-X-X-Pro sequences can be removed by AfuS28 thus allowing Seds further sequential proteolysis. In conclusion, both alkaline and acidic sets of proteases contain exoprotease activity capable of cleaving after proline residues that cannot be removed during sequential digestion by nonspecific exopeptidases.

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

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

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

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

Mutations in LONP1, a mitochondrial matrix protease, cause CODAS syndrome.

Cerebral, ocular, dental, auricular, skeletal anomalies (CODAS) syndrome (MIM 600373) was first described and named by Shehib et al, in 1991 in a single patient. The anomalies referred to in the acronym are as follows: cerebral-developmental delay, ocular-cataracts, dental-aberrant cusp morphology and delayed eruption, auricular-malformations of the external ear, and skeletal-spondyloepiphyseal dysplasia. This distinctive constellation of anatomical findings should allow easy recognition but despite this only four apparently sporadic patients have been reported in the last 20 years indicating that the full phenotype is indeed very rare with perhaps milder or a typical presentations that are allelic but without sufficient phenotypic resemblance to permit clinical diagnosis. We performed exome sequencing in three patients (an isolated case and a brother and sister sib pair) with classical features of CODAS. Sanger sequencing was used to confirm results as well as for mutation discovery in a further four unrelated patients ascertained via their skeletal features. Compound heterozygous or homozygous mutations in LONP1 were found in all (8 separate mutations; 6 missense, 1 nonsense, 1 small in-frame deletion) thus establishing the genetic basis of CODAS and the pattern of inheritance (autosomal recessive). LONP1 encodes an enzyme of bacterial ancestry that participates in protein turnover within the mitochondrial matrix. The mutations cluster at the ATP-binding and proteolytic domains of the enzyme. Biallelic inheritance and clustering of mutations confirm dysfunction of LONP1 activity as the molecular basis of CODAS but the pathogenesis remains to be explored.

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.

Characterization of the HIV protease inhibitor Nelfinavir cellular targets

The HIV protease inhibitors (HIV-PIs) are among the most potent antiviral drugs for the HIV infection. Treatment of patients with HIV-PIs has been linked with development of side effects including dyslipidemia, lipodystrophy syndrome and cardiovascular complications. Moreover, these drugs have shown anti-tumoral activity in non-infected patients but little is known about the involved molecular mechanism for these off-target effects. Here we propose that the HIV-PI Nelfinavir could block a cellular protease thus causing the observed phenotypes. We firstly focus our attention on a cellular protein, DDI2, showing sequence and structural conservation with the HIV protease. We applied cellular and in vitro approaches to produce a correctly folded recombinant protein in order to investigate the presence of a proteolytic activity. Despite the fact that we could identify two techniques that can be applied to produce a folded recombinant DDI2, no proteolytic activity has been identified in the present study. However, we could observe that decreasing the DDI2 levels recapitulated some phenotype observed in presence of HIV-PIs, including the phosphorylation of the protein translation regulators eIF2a and eEF2. As an alternative approach to identify cellular targets for HIV-PIs, we applied a proteomic screening called Slice-SILAC. We focused our attention on the defective maturation of Lamin A, a member of the nuclear lamina, induced by the block of the cellular protease Zmpste24. We demonstrated that Nelfinavir induced accumulation of Prelamin A and nuclear shape defects and in addition caused presence of cytosolic DNA, probably due to TREX1 downregulation. We showed that these phenotypes correlated with activation of the AIM2 inflammasome and IL-lß release. These findings suggest that DDI2 and Zmpste24 are direct or indirect cellular targets for the HIV-PIs and indicate a possible role for these proteins in promoting off-target effects and anti¬tumoral activity observed in HIV-PI treated patients. -- Les inhibiteurs de la protéase du VIH (IP-VIH) sont parmi les médicaments antiviraux les plus efficaces pour l'infection par le VIH. Le traitement des patients avec les IP-VIH cause des effets secondaires comprenant la dyslipidémie, le syndrome de lipodystrophie et les complications cardio-vasculaires. De plus, ces médicaments ont montré une activité anti-tumorale chez les patients non infectés, toutefois le mécanisme moléculaire impliqué dans ces effets hors-cible reste inconnu. Nous proposons que l'IP-VIH Nelfinavir puisse bloquer une protéase cellulaire provoquant les phénotypes observés. De ce fait, nous avons concentré notre attention sur une protéine cellulaire, DDI2, qui possède une séquence et une structure proche de celle de la protéase du VIH. Nous avons appliqué des approches cellulaire et in vitro pour produire une protéine recombinante correctement repliée afin d'étudier son activité protéolytique. Malgré le fait que nous avons pu identifier deux techniques qui peuvent être appliquées pour produire une protéine DDI2 recombinante correctement repliée, aucune activité protéolytique n'a été identifiée dans la présente étude. De plus, nous avons pu observer que la réduction de DDI2 récapitule les phénotypes observé avec le IP-VIH, y compris les phosphorylations de eIF2a et eEF2, impliquées dans la régulation de la traduction protéique. Une approche alternative, appelée Slice-SILAC, a été utilisée afin d'identifier de nouvelles cibles cellulaires du Nelfinavir. Nous avons concentré notre attention sur la maturation défectueuse de la Lamine A, un membre de la lamine nucléaire, induite par l'inhibition de la protéase cellulaire Zmpste24. Nous avons démontré que le Nelfinavir induit une accumulation de Prélamine A déformant la membrane nucléaire et la présence d'ADN cytosolique, probablement en raison de la régulation négative de TREX1. Nous avons montré que ces phénotypes causent l'activation de l'inflammasome AIM2 et la sécrétion d'IL-lß. Ces résultats suggèrent que DDI2 et Zmpste24 sont des cibles cellulaires pour les IP-VIH et indiquent un possible rôle pour ces protéines dans l'apparition d'effets secondaires ainsi que dans l'activité anti-tumorale observée chez les patients traités avec les IP-VIH.

An inhibitor of HIV-1 protease modulates constitutive eIF2α dephosphorylation to trigger a specific integrated stress response.

Inhibitors of the HIV aspartyl protease [HIV protease inhibitors (HIV-PIs)] are the cornerstone of treatment for HIV. Beyond their well-defined antiretroviral activity, these drugs have additional effects that modulate cell viability and homeostasis. However, little is known about the virus-independent pathways engaged by these molecules. Here we show that the HIV-PI Nelfinavir decreases translation rates and promotes a transcriptional program characteristic of the integrated stress response (ISR). Mice treated with Nelfinavir display hallmarks of this stress response in the liver, including α subunit of translation initiation factor 2 (eIF2α) phosphorylation, activating transcription factor-4 (ATF4) induction, and increased expression of known downstream targets. Mechanistically, Nelfinavir-mediated ISR bypassed direct activation of the eIF2α stress kinases and instead relied on the inhibition of the constitutive eIF2α dephosphorylation and down-regulation of the phophatase cofactor CReP (Constitutive Repressor of eIF2α Phosphorylation; also known as PPP1R15B). These findings demonstrate that the modulation of eIF2α-specific phosphatase cofactor activity can be a rheostat of cellular homeostasis that initiates a functional ISR and suggest that the HIV-PIs could be repositioned as therapeutics in human diseases to modulate translation rates and stress responses.

Phenotypical analysis of mice deficient for the channel activating protease CAP2

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