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.

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

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.

NEDD4-2 and salt-sensitive hypertension.

PURPOSE OF REVIEW: NEDD4-2 is an ubiquitin-protein ligase that was originally identified as an interactor of the epithelial Na+ channel (ENaC); this interaction is defective in Liddle's syndrome, causing elevated ENaC activity and salt-sensitive hypertension. In this review we aim to highlight progress achieved in recent years demonstrating that NEDD4-2 is involved in the control of Na+ transporters that are different from ENaC, but which also play a role in salt-sensitive hypertension. RECENT FINDINGS: It has been shown that NEDD4-2 interacts with ubiquitylates and negatively regulates the thiazide-sensitive NCC (Na+,Cl- -cotransporter), both in vitro and in vivo in inducible, nephron-specific Nedd4-2 knockout mice. Moreover, evidence has been provided that NEDD4-2 is also involved in the regulation of human NHE3 (Na+,H+-exchanger 3) and NKCC2 (Na+,K+,2Cl- -cotransporter 2). SUMMARY: The emerging role of NEDD4-2 in the regulation of different Na+ transporters along the nephron and the identification of human polymorphisms in the NEDD4-2 gene (Nedd4L) related to salt-sensitive hypertension makes this ubiquitin-protein ligase an interesting target for the development of antihypertensive drugs.

Vasopressin-stimulated CFTR Cl- currents are increased in the renal collecting duct cells of a mouse model of Liddle's syndrome.

Liddle's syndrome is a genetic form of hypertension linked to Na(+) retention caused by activating mutations in the COOH terminus of the beta or gamma subunit of the epithelial sodium channel (ENaC). In this study, we used the short-circuit current (I(sc)) method to investigate the effects of deamino-8-d-arginine vasopressin (dDAVP) on Na(+) and Cl(-) fluxes in primary cultures of cortical collecting ducts (CCDs) microdissected from the kidneys of mice with Liddle's syndrome carrying a stop codon mutation, corresponding to the beta-ENaC R(566) stop mutation (L) found in the original pedigree. Compared to wild-type (+/+) CCD cells, untreated L/+ and L/L CCD cells exhibited 2.7- and 4.2-fold increases, respectively, in amiloride-sensitive (Ams) I(sc), reflecting ENaC-dependent Na(+) absorption. Short-term incubation with dDAVP caused a rapid and significant increase (approximately 2-fold) in Ams I(sc) in +/+, but not in L/+ or L/L CCD cells. In sharp contrast, dDAVP induced a greater increase in 5-nitro-2-(3-phenylpropamino)benzoate (NPPB)-inhibited apical Cl(-) currents in amiloride-treated L/L and L/+ cells than in their +/+ counterparts. I(sc) recordings performed under apical ion substituted conditions revealed that the dDAVP-stimulated apical secretion of Cl(-), which was absent in cultured CCDs lacking CFTR, was 1.8-fold greater in L/+ and 3.7-fold greater in L/L CCD cells than in their +/+ CCD counterparts. After the basal membrane had been permeabilized with nystatin and a basal-to-apical Cl(-) gradient had been imposed, dDAVP also stimulated larger Cl(-) currents across L/L and L/+ CCD layers than +/+ CCD layers. These findings demonstrate that vasopressin stimulates greater apical CFTR Cl(-) conductance in the renal CCD cells of mice with Liddle's syndrome than in wild-type mice. This effect could contribute to the enhanced NaCl reabsorption observed in the distal nephron of patients with Liddle's syndrome.

Ubiquitylation of voltage-gated sodium channels.

Ion channel proteins are regulated by different types of posttranslational modifications. The focus of this review is the regulation of voltage-gated sodium channels (Navs) upon their ubiquitylation. The amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) was the first ion channel shown to be regulated upon ubiquitylation. This modification results from the binding of ubiquitin ligase from the Nedd4 family to a protein-protein interaction domain, known as the PY motif, in the ENaC subunits. Many of the Navs have similar PY motifs, which have been demonstrated to be targets of Nedd4-dependent ubiquitylation, tagging them for internalization from the cell surface. The role of Nedd4-dependent regulation of the Nav membrane density in physiology and disease remains poorly understood. Two recent studies have provided evidence that Nedd4-2 is downregulated in dorsal root ganglion (DRG) neurons in both rat and mouse models of nerve injury-induced neuropathic pain. Using two different mouse models, one with a specific knockout of Nedd4-2 in sensory neurons and another where Nedd4-2 was overexpressed with the use of viral vectors, it was demonstrated that the neuropathy-linked neuronal hyperexcitability was the result of Nav1.7 and Nav1.8 overexpression due to Nedd4-2 downregulation. These studies provided the first in vivo evidence of the role of Nedd4-2-dependent regulation of Nav channels in a disease state. This ubiquitylation pathway may be involved in the development of symptoms and diseases linked to Nav-dependent hyperexcitability, such as pain, cardiac arrhythmias, epilepsy, migraine, and myotonias.

Concerted action of ENaC, Nedd4-2, and Sgk1 in transepithelial Na(+) transport.

The epithelial Na(+) channel (ENaC), located in the apical membrane of renal aldosterone-responsive epithelia, plays an essential role in controlling the Na(+) balance of extracellular fluids and hence blood pressure. As of now, ENaC is the only Na(+) transport protein for which genetic evidence exists for its involvement in the genesis of both hypertension (Liddle's syndrome) and hypotension (pseudohypoaldosteronism type 1). The regulation of ENaC involves a variety of hormonal signals (aldosterone, vasopressin, insulin), but the molecular mechanisms behind this regulation are mostly unknown. Two regulatory proteins have gained interest in recent years: the ubiquitin-protein ligase neural precursor cell-expressed, developmentally downregulated gene 4 isoform Nedd4-2, which negatively controls ENaC cell surface expression, and serum glucocorticoid-inducible kinase 1 (Sgk1), which is an aldosterone- and insulin-dependent, positive regulator of ENaC density at the plasma membrane. Here, we summarize present ideas about Sgk1 and Nedd4-2 and the lines of experimental evidence, suggesting that they act sequentially in the regulatory pathways governed by aldosterone and insulin and regulate ENaC number at the plasma membrane.

Airway surface liquid volume regulation determines different airway phenotypes in liddle compared with betaENaC-overexpressing mice.

Studies in cystic fibrosis patients and mice overexpressing the epithelial Na(+) channel beta-subunit (betaENaC-Tg) suggest that raised airway Na(+) transport and airway surface liquid (ASL) depletion are central to the pathogenesis of cystic fibrosis lung disease. However, patients or mice with Liddle gain-of-function betaENaC mutations exhibit hypertension but no lung disease. To investigate this apparent paradox, we compared the airway phenotype (nasal versus tracheal) of Liddle with CFTR-null, betaENaC-Tg, and double mutant mice. In mouse nasal epithelium, the region that functionally mimics human airways, high levels of CFTR expression inhibited Liddle epithelial Nat channel (ENaC) hyperfunction. Conversely, in mouse trachea, low levels of CFTR failed to suppress Liddle ENaC hyperfunction. Indeed, Na(+) transport measured in Ussing chambers ("flooded" conditions) was raised in both Liddle and betaENaC-Tg mice. Because enhanced Na(+) transport did not correlate with lung disease in these mutant mice, measurements in tracheal cultures under physiologic "thin film" conditions and in vivo were performed. Regulation of ASL volume and ENaC-mediated Na(+) absorption were intact in Liddle but defective in betaENaC-Tg mice. We conclude that the capacity to regulate Na(+) transport and ASL volume, not absolute Na(+) transport rates in Ussing chambers, is the key physiologic function protecting airways from dehydration-induced lung disease.

PAR2 absence completely rescues inflammation and ichthyosis caused by altered CAP1/Prss8 expression in mouse skin.

Altered serine protease activity is associated with skin disorders in humans and in mice. The serine protease channel-activating protease-1 (CAP1; also termed protease serine S1 family member 8 (Prss8)) is important for epidermal homeostasis and is thus indispensable for postnatal survival in mice, but its roles and effectors in skin pathology are poorly defined. In this paper, we report that transgenic expression in mouse skin of either CAP1/Prss8 (K14-CAP1/Prss8) or protease-activated receptor-2 (PAR2; Grhl3(PAR2/+)), one candidate downstream target, causes epidermal hyperplasia, ichthyosis and itching. K14-CAP1/Prss8 ectopic expression impairs epidermal barrier function and causes skin inflammation characterized by an increase in thymic stromal lymphopoietin levels and immune cell infiltrations. Strikingly, both gross and functional K14-CAP1/Prss8-induced phenotypes are completely negated when superimposed on a PAR2-null background, establishing PAR2 as a pivotal mediator of pathogenesis. Our data provide genetic evidence for PAR2 as a downstream effector of CAP1/Prss8 in a signalling cascade that may provide novel therapeutic targets for ichthyoses, pruritus and inflammatory skin diseases.

Permeability properties of ENaC selectivity filter mutants.

The epithelial Na(+) channel (ENaC), located in the apical membrane of tight epithelia, allows vectorial Na(+) absorption. The amiloride-sensitive ENaC is highly selective for Na(+) and Li(+) ions. There is growing evidence that the short stretch of amino acid residues (preM2) preceding the putative second transmembrane domain M2 forms the outer channel pore with the amiloride binding site and the narrow ion-selective region of the pore. We have shown previously that mutations of the alphaS589 residue in the preM2 segment change the ion selectivity, making the channel permeant to K(+) ions. To understand the molecular basis of this important change in ionic selectivity, we have substituted alphaS589 with amino acids of different sizes and physicochemical properties. Here, we show that the molecular cutoff of the channel pore for inorganic and organic cations increases with the size of the amino acid residue at position alpha589, indicating that alphaS589 mutations enlarge the pore at the selectivity filter. Mutants with an increased permeability to large cations show a decrease in the ENaC unitary conductance of small cations such as Na(+) and Li(+). These findings demonstrate the critical role of the pore size at the alphaS589 residue for the selectivity properties of ENaC. Our data are consistent with the main chain carbonyl oxygens of the alphaS589 residues lining the channel pore at the selectivity filter with their side chain pointing away from the pore lumen. We propose that the alphaS589 side chain is oriented toward the subunit-subunit interface and that substitution of alphaS589 by larger residues increases the pore diameter by adding extra volume at the subunit-subunit interface.

ASIC1a oligomerization structure-function of its extracellular vestibule and functional characterization of αS243Pβɣ ENaC

Quatre cristaux du canal ASIC1a ont été publiés et soutiennent une stoechiométrie trimérique. Cependant, ces données contredisant de précédentes analyses fonctionnelles effectuées sur des canaux de la même famille, notre intérêt fut porté sur l'oligomérisation d'ASIC1a. Dans ce sens, un nouvel essai couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec l'utilisation de réactifs sulfhydryls bifonctionnels (crosslinkers) a été mis en place. Le but étant de stabiliser, puis sélectionner les canaux fonctionnels, pour ensuite les séparer selon leur taille par SDS-PAGE. Grâce à cette technique, nous avons démontré que le complexe stabilisé a une taille coïncidant avec une organisation tétramérique. En plus de son oligomérisation, le chemin emprunté par les ions pour traverser le canal n'est pas clairement défini dans ces structures. De ce fait, utilisant une approche électrophysiologique, nous avons étudié le lien entre la structure et la fonction du vestibule extracellulaire d'ASIC1a. Dans ce but, nous nous sommes intéressés l'accessibilité de cystéines spécifiques localisées dans ce vestibule pour des réactifs méthanethiosulfonates (MTS). Ainsi, nous avons pu corréler les cinétiques de modification de ces cystéines par les MTS avec les effets sur le courant sodique, et donc avoir des informations supplémentaires sur la voie empruntée par les ions. De plus, la simulation informatique de liaison de ces réactifs illustre le remplissage total de ce vestibule. Fonctionnellement, cette interaction ne perturbe pas le passage de ions, c'est pourquoi il nous apparaît probable que le vestibule présente une taille plus large que celle illustrée par les cristaux. Dans un deuxième temps, notre intérêt fut porté sur ENaC. Ce canal est composé des trois sous-unités (a, ß et y) et est exprimé dans divers épithéliums, dont les tubules des reins. Il participe à l'homéostasie sodique et est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la Vasopressine, mais également par des sérines protéases ou le Na+. Nous avons étudié la répercussion fonctionnelle de la mutation aS243P, découverte chez un nouveau-né prématuré atteint de pseudohypoaldostéronisme de type 1. Cette maladie autosomale récessive se caractérise, généralement, par une hyponatrémie liée à d'importantes pertes de sel dans les urines, une hyperkaliémie, ainsi qu'un niveau élevé d'aldostérone. Tout d'abord aucune des expériences biochimiques et électrophysiologiques n'a pu démontrer un défaut d'expression ou une forte diminution de l'activité soutenant les données cliniques. Cependant, en challengeant aS243PßyENaC avec une forte concentration de Na+ externe, une hypersensibilité de canal fut observée. En effet, ni les phénomènes régulateurs de « feedback inhibition » ou de « Na+ self-inhibition » n'étaient semblables au canal sauvage. De ce fait, ils apparaissaient exacerbés en présence de la mutation, amenant ainsi à une diminution de la réabsorption de Na+. Ceci corrobore entièrement l'hyponatrémie diagnostiquée. Le rein d'un prématuré étant immature, la quantité de Na+ atteignant la partie distale du néphron est plus élevée, du fait que les autres mécanismes de réabsorption en amont ne sont probablement pas encore en place. Cette hypothèse est renforcée par l'existence d'un frère présentant la même mutation, mais qui, né à terme, ne présentait aucun signe d'hyponatrémie. - The main topic of my thesis is the structure-function relationship of the ENaC/Deg family of ion channels, namely the Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a and the Epithelial Na Channel ENaC. The primary part of this research is dedicated to the structure of ASIC1a. Four channel crystals have been published, which support a trimeric stoichiometry, although these data contradict previous functional experiments on other ENaC/Deg members. We are therefore interested in ASIC1a oligomerization and have set up a new assay combining the Substituted- Cysteine Accessibility Method (SCAM) with Afunctional sulfhydryl reagents (crosslinkers) allowing its study. The aim was to first stabilize the channels, then select those that are functional and then resolve them according to their size on SDS-PAGE. We demonstrated that the stabilized complex has a molecular weight corresponding to a tetrameric stoichiometry. In addition to our interest in the oligomerization of the ENaC/Deg family of ion channels, we also wanted to investigate the thus far undefined way of permeation for these channels. Therefore, taking the advantage of a more electrophysiological approach, we studied the accessibility of specific cysteines for methanethiosulfonate reagents (MTS) and were able to correlate the MTS association kinetics on cysteine residues with Na+ currents. These results have given us an insight into ion permeation and our functional evidence indicates that the extracellular is larger than that depicted by the crystal structures. As a side project, we focused on ENaC, which is made up of three subunits (a, ß and y) and is expressed in various epithelia, especially in the distal nephron of the kidneys. It plays a role in Na+ homeostasis and is essentially regulated by hormones via aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases or Na+. We have studied the functional impact of the aS243P mutation, discovered in a premature baby suffering from pseudohypoaldosteronism of type 1. This autosomal recessive disease is characterized by hyponatremia, hyperkalemia and high aldosterone levels. Firstly, neither biochemical nor electrophysiological experiments indicated an expression defect or a strong decrease in activity. However, challenging aS243PßyENaC with increased external Na+ concentration showed channel hypersensitivity. Indeed, both the "feedback inhibition" and the "Na+ self-inhibition" regulatory mechanisms are impaired, leading to a decrease in Na+ reabsorption, entirely supports the diagnosis. The kidneys in preterm infants are immature and Na+ levels reaching the distal nephron are higher than normally observed. We hypothesize that the upstream reabsorption machinery is unlikely to be sufficiently matured and this assumption is supported by an asymptomatic sibling carrying the same mutation, but born at term. - La cellule, unité fonctionnelle du corps humain, est délimitée par une membrane plasmique servant de barrière biologique entre les milieux intra et extracellulaires. Une communication entre cellules est indispensable pour un fonctionnement adéquat. Sa survie dépend, entre autres, du maintien de la teneur en ions dans chacun des milieux qui doivent pouvoir être réabsorbés, ou sécrétés, selon les besoins. Les protéines insérées dans la membrane forment un canal et sont un moyen de communication permettant spécifiquement à des ions tel que le sodium (Na+) de traverser. Le Na+ se trouve dans la plupart des aliments et le sel, et est spécifiquement réabsorbé au niveau des reins grâce au canal sodique épithélial ENaC. Cette réabsorption se fait de l'urine primaire vers l'intérieur de la cellule, puis est transporté vers le sang. Pour maintenir un équilibre, une régulation de ce canal est nécessaire. En effet, des dysfonctionnements impliquant la régulation ou l'activité d'ENaC lui-même sont à l'origine de maladies telles que la mucoviscidose, l'hypertension ou encore, le pseudohypoaldostéronisme (PHA). Cette maladie est caractérisée, notamment, par d'importantes pertes de sel dans les urines. Des pédiatres ont diagnostiqué un PHA chez un nouveau-né, ce dernier présentant une modification du canal ENaC, nous avons recréé cette protéine afin d'étudier l'impact de ce changement sur son activité. Nous avons démontré que la régulation d'ENaC était effectivement perturbée, conduisant ainsi à une forte réduction de la réabsorption sodique. Afin de développer des molécules capables de moduler l'activité de protéines. Il est nécessaire d'en connaître la structure. Celle du canal sodique sensible à l'acidification ASIC1, un canal cousin d'ENaC, est connue. Ces données structurales contredisant cependant les analyses fonctionnelles, nous nous sommes penchés une nouvelle fois sur ASIC1. Une protéine est une macromolécule biologique composée d'une chaîne d'acides aminés (aa). De l'enchaînement d'aa à la protéine fonctionnelle, quatre niveaux de structuration existent. Chaque aa donne une indication quant au repliement et plus particulièrement la cystéine. Arborant un groupe sulfhydryle (SH) capable de former une liaison spécifique et stable avec un autre SH, celle-ci est souvent impliquée dans la structure tridimensionnelle de la protéine. Ce type de liaison intervient également dans la stabilisation de la structure quaternaire, qui est l'association de plusieurs protéines identiques (homomère), ou pas (hétéromère). Dans cette partie, nous avons remplacé des aa par des cystéines à des endroits spécifiques. Le but était de stabiliser plusieurs homomères d'ASICl ensemble avec des réactifs créant des ponts entre deux SH. Ainsi, nous avons pu déterminer le nombre de protéines ASIC1 participant à la formation d'un canal fonctionnel. Nos résultats corroborent les données fonctionnelles soutenant un canal tétramérique. Nous avons également étudié l'accessibilité de ces nouvelles cystéines afin d'obtenir des informations supplémentaires sur la structure du chemin emprunté par le Na+ à travers ASIC1 et plus particulièrement du vestibule extracellulaire.

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.

Stimulation of ENaC activity by rosiglitazone is PPARγ-dependent and correlates with SGK1 expression increase.

Thiazolidinediones (TZDs) are peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) agonists used to treat type 2 diabetes. TZD treatment induces side effects such as peripheral fluid retention, often leading to discontinuation of therapy. Previous studies have shown that PPARγ activation by TZD enhances the expression or function of the epithelial sodium channel (ENaC) through different mechanisms. However, the effect of TZDs on ENaC activity is not clearly understood. Here, we show that treating Xenopus laevis oocytes expressing ENaC and PPARγ with the TZD rosiglitazone (RGZ) produced a twofold increase of amiloride-sensitive sodium current (Iam), as measured by two-electrode voltage clamp. RGZ-induced ENaC activation was PPARγ-dependent since the PPARγ antagonist GW9662 blocked the activation. The RGZ-induced Iam increase was not mediated through direct serum- and glucocorticoid-regulated kinase (SGK1)-dependent phosphorylation of serine residue 594 on the human ENaC α-subunit but by the diminution of ENaC ubiquitination through the SGK1/Nedd4-2 pathway. In accordance, RGZ increased the activity of ENaC by enhancing its cell surface expression, most probably indirectly mediated through the increase of SGK1 expression.

Mineralocorticoid receptor degradation is promoted by Hsp90 inhibition and the ubiquitin-protein ligase CHIP.

The mineralocorticoid receptor (MR) plays a crucial role in the regulation of Na(+) balance and blood pressure, as evidenced by gain of function mutations in the MR of hypertensive families. In the kidney, aldosterone binds to the MR, induces its nuclear translocation, and promotes a transcriptional program leading to increased transepithelial Na(+) transport via the epithelial Na(+) channel. In the unliganded state, MR is localized in the cytosol and part of a multiprotein complex, including heat shock protein 90 (Hsp90), which keeps it ligand-binding competent. 17-Allylamino-17-demethoxygeldanamycin (17-AAG) is a benzoquinone ansamycin antibiotic that binds to Hsp90 and alters its function. We investigated whether 17-AAG affects the stability and transcriptional activity of MR and consequently Na(+) reabsorption by renal cells. 17-AAG treatment lead to reduction of MR protein level in epithelial cells in vitro and in vivo, thereby interfering with aldosterone-dependent transcription. Moreover, 17-AAG inhibited aldosterone-induced Na(+) transport, possibly by interfering with MR availability for the ligand. Finally, we identified the ubiquitin-protein ligase, COOH terminus of Hsp70-interacting protein, as a novel partner of the cytosolic MR, which is responsible for its polyubiquitylation and proteasomal degradation in presence of 17-AAG. In conclusion, 17-AAG may represent a novel pharmacological tool to interfere with Na(+) reabsorption and hypertension.

Revisiting the heteromultimeric structure of ENaC in Xenopus leavis oocytes

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