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.

L'enceinte : sur le plaisir dans l'esthétique de Kant

Tout au long de son histoire, la philosophie s'est sentie menacée par le moment sensuel de l'art, le plaisir pris qui risquait de mettre la raison hors d'elle-même. Là où Platon s'en défendit par l'exclusion de la poésie hors de l'enceinte de la cité philosophique, Kant tenta de le domestiquer en l'intégrant au dedans des murs du système. Il espérait ainsi, en assignant une place déterminée au plaisir et au désir, en maîtriser les débordements. Mais le pouvoir de séduction de l'art, comme celui des femmes auquel Kant le renvoie, ne se laisseront pas si aisément contenir dans l'économie systémique et viendront déranger le subtile équilibre architectonique de l'édifice critique.

An Ion Transport-Independent Role for the Cation-Chloride Cotransporter KCC2 in Dendritic Spinogenesis In Vivo.

The neuron-specific K-Cl cotransporter, KCC2, is highly expressed in the vicinity of excitatory synapses in pyramidal neurons, and recent in vitro data suggest that this protein plays a role in the development of dendritic spines. The in vivo relevance of these observations is, however, unknown. Using in utero electroporation combined with post hoc iontophoretic injection of Lucifer Yellow, we show that premature expression of KCC2 induces a highly significant and permanent increase in dendritic spine density of layer 2/3 pyramidal neurons in the somatosensory cortex. Whole-cell recordings revealed that this increased spine density is correlated with an enhanced spontaneous excitatory activity in KCC2-transfected neurons. Precocious expression of the N-terminal deleted form of KCC2, which lacks the chloride transporter function, also increased spine density. In contrast, no effect on spine density was observed following in utero electroporation of a point mutant of KCC2 (KCC2-C568A) where both the cotransporter function and the interaction with the cytoskeleton are disrupted. Transfection of the C-terminal domain of KCC2, a region involved in the interaction with the dendritic cytoskeleton, also increased spine density. Collectively, these results demonstrate a role for KCC2 in excitatory synaptogenesis in vivo through a mechanism that is independent of its ion transport function.

Fast gas chromatography and negative-ion chemical ionization tandem mass spectrometry for forensic analysis of cannabinoids in whole blood.

The present work describes a fast gas chromatography/negative-ion chemical ionization tandem mass spectrometric assay (Fast GC/NICI-MS/MS) for analysis of tetrahydrocannabinol (THC), 11-hydroxy-tetrahydrocannabinol (THC-OH) and 11-nor-9-carboxy-tetrahydrocannabinol (THC-COOH) in whole blood. The cannabinoids were extracted from 500 microL of whole blood by a simple liquid-liquid extraction (LLE) and then derivatized by using trifluoroacetic anhydride (TFAA) and hexafluoro-2-propanol (HFIP) as fluorinated agents. Mass spectrometric detection of the analytes was performed in the selected reaction-monitoring mode on a triple quadrupole instrument after negative-ion chemical ionization. The assay was found to be linear in the concentration range of 0.5-20 ng/mL for THC and THC-OH, and of 2.5-100 ng/mL for THC-COOH. Repeatability and intermediate precision were found less than 12% for all concentrations tested. Under standard chromatographic conditions, the run cycle time would have been 15 min. By using fast conditions of separation, the assay analysis time has been reduced to 5 min, without compromising the chromatographic resolution. Finally, a simple approach for estimating the uncertainty measurement is presented.

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+.