Ethnic differences in proximal and distal tubular sodium reabsorption are heritable in black and white populations.

BACKGROUND: Segmental handling of sodium along the proximal and distal nephron might be heritable and different between black and white participants. METHODS: We randomly recruited 95 nuclear families of black South African ancestry and 103 nuclear families of white Belgian ancestry. We measured the (FENa) and estimated the fractional renal sodium reabsorption in the proximal (RNaprox) and distal (RNadist) tubules from the clearances of endogenous lithium and creatinine. In multivariable analyses, we studied the relation of RNaprox and RNadist with FENa and estimated the heritability (h) of RNaprox and RNadist. RESULTS: Independent of urinary sodium excretion, South Africans (n = 240) had higher RNaprox (unadjusted median, 93.9% vs. 81.0%; P < 0.001) than Belgians (n = 737), but lower RNadist (91.2% vs. 95.1%; P < 0.001). The slope of RNaprox on FENa was steeper in Belgians than in South Africans (-5.40 +/- 0.58 vs. -0.78 +/- 0.58 units; P < 0.001), whereas the opposite was true for the slope of RNadist on FENa (-3.84 +/- 0.19 vs. -13.71 +/- 1.30 units; P < 0.001). h of RNaprox and RNadist was high and significant (P < 0.001) in both countries. h was higher in South Africans than in Belgians for RNaprox (0.82 vs. 0.56; P < 0.001), but was similar for RNadist (0.68 vs. 0.50; P = 0.17). Of the filtered sodium load, black participants reabsorb more than white participants in the proximal nephron and less postproximally. CONCLUSION: Segmental sodium reabsorption along the nephron is highly heritable, but the capacity for regulation in the proximal and postproximal tubules differs between whites and blacks.

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.

Regulation of 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 by microRNA.

The enzyme 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11β-HSD2) is selectively expressed in aldosterone target tissues, conferring aldosterone selectivity for the mineralocorticoid receptor. A diminished activity causes salt-sensitive hypertension. The mechanism of the variable and distinct 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 gene (HSD11B2) expression in the cortical collecting duct is poorly understood. Here, we analyzed for the first time whether the 11β-HSD2 expression is modulated by microRNAs (miRNAs). In silico analysis revealed 53 and 27 miRNAs with potential binding sites on human or rat HSD11B2 3'-untranslated region. A reporter assay demonstrated 3'-untranslated region-dependent regulation of human and rodent HSD11B2. miRNAs were profiled from cortical collecting ducts and proximal convoluted tubules. Bioinformatic analyses showed a distinct clustering for cortical collecting ducts and proximal convoluted tubules with 53 of 375 miRNAs, where 13 were predicted to bind to the rat HSD11B2 3'-untranslated region. To gain insight into potentially relevant miRNAs in vivo, we investigated 2 models with differential 11β-HSD2 activity linked with salt-sensitive hypertension. (1) Comparing Sprague-Dawley with low and Wistar rats with high 11β-HSD2 activity revealed rno-miR-20a-5p, rno-miR-19b-3p, and rno-miR-190a-5p to be differentially expressed. (2) Uninephrectomy lowered 11β-HSD2 activity in the residual kidney with differentially expressed rno-miR-19b-3p, rno-miR-29b-3p, and rno-miR-26-5p. In conclusion, miRNA-dependent mechanisms seem to modulate 11β-HSD2 dosage in health and disease states.

Nedd4-2 ubiquitin ligase: a contributor to experimental neuropathic pain?

Background: Neuropathic pain is associated with altered expression of voltage-gated sodium channels (VGSCs) leading to peripheral nerve hyperexcitability. Interestingly, in cell expression systems, the ubiquitin ligase Nedd4-2 regulates the cell membrane density of the most abundant peripheral and pain-related VGSC, namely Nav1.7, and decreases its sodium current. Yet nothing is known about the involvement of Nedd4-2 in nociception and chronic pain. Therefore, the goal of this study is (i) to characterize Nedd4-2 and Nav1.7 expression in an experimental model of neuropathic pain (ii) to design by viral vector-mediated gene therapy an approach to depict the implication of Nedd4-2 in chronic pain. Methods: Western Blot and immunohistochemistry experiments detecting Nav1.7 and Nedd4-2 were performed in rodent DRGs 7 days after spared nerve injury (SNI). For the viral vector-mediated gene therapy, a recombinant Adeno-Associated Virus (rAAV2/6) was generated expressing the Nedd4-2 gene. Intrathecal injection of rAAV2/6 was followed 2 weeks after by the SNI surgery. Data are expressed in mean ± SEM, n = 4 in each condition. Results: Immunofluorescence on DRGs neurons reveals a decreased number of positive Nedd4-2 cells in the SNI model (27.0 ± 1.2%) versus sham group (43.4 ± 3.5%; p <0.005), as well as an increase in positive Nav1.7 cells in SNI (50.1 ± 2.9%) versus Sham (41.6 ± 1.8%; p <0.05). The change of Nedd4-2 expression was confirmed by western-blot analysis. In addition, we show that Nedd4-2 and Nav1.7 are largely expressed in overlapping cell populations, chiefly colocalizing with markers of small nociceptive neurons. Furthermore, we report that intrathecal injection of rAAV is able to counteract the reduction of Nedd4-2 expression in SNI animals. Conclusion: Our results indicate that Nedd4-2 is mainly expressed in nociceptors and downregulated after nerve injury. Moreover, our data suggest that the reduction of Nedd4-2, after nerve injury, may modulate Nav1.7 activity and contribute to hyperexcitability in neuropathic pain. A normal level of Nedd4-2 can be restored using a viral vector and we will further assess its functional effect on pain sensitivity.

Mutations causing Liddle syndrome reduce sodium-dependent downregulation of the epithelial sodium channel in the Xenopus oocyte expression system.

Liddle syndrome is an autosomal dominant form of hypertension resulting from deletion or missense mutations of a PPPxY motif in the cytoplasmic COOH terminus of either the beta or gamma subunit of the epithelial Na channel (ENaC). These mutations lead to increased channel activity. In this study we show that wild-type ENaC is downregulated by intracellular Na+, and that Liddle mutants decrease the channel sensitivity to inhibition by intracellular Na+. This event results at high intracellular Na+ activity in 1.2-2.4-fold higher cell surface expression, and 2.8-3.5-fold higher average current per channel in Liddle mutants compared with the wild type. In addition, we show that a rapid increase in the intracellular Na+ activity induced downregulation of the activity of wild-type ENaC, but not Liddle mutants, on a time scale of minutes, which was directly correlated to the magnitude of the Na+ influx into the oocytes. Feedback inhibition of ENaC by intracellular Na+ likely represents an important cellular mechanism for controlling Na+ reabsorption in the distal nephron that has important implications for the pathogenesis of hypertension.

Evidence for a sodium-induced activation of central neurogenic mechanisms in one-kidney, one-clip renal hypertensive rats

The mechanisms sustaining high blood pressure in conscious one-kidney, one-clip Goldblatt rats were evaluated with the use of SK&F 64139, a phenylethanolamine N-methyltransferase inhibitor capable of crossing the blood-brain barrier and of captopril, an angiotensin converting enzyme inhibitor. The rats were studied 3 weeks after left renal artery clipping and contralateral nephrectomy. During the developmental phase of hypertension, two groups of rats were maintained on a regular salt (RNa) intake, whereas two other groups were given a low salt (LNa) diet. On the day of the experiment, the base-line mean blood pressure measured in the LNa rats (177.4 +/- 5.2 mm Hg, mean +/- S.E., n = 15) was similar to that measured in the RNa rats (178.7 +/- 5.4 mm Hg, n = 16). SK&F 64139 (12.5 mg p.o.) induced a significantly more pronounced (P less than .001) blood pressure decrease in the RNa rats (-25.6 +/- 3.6 mm Hg, n = 8) than in the LNa rats (-4.3 +/- 3.3 mm Hg, n = 7) during a 90-min observation period. On the other hand, captopril (10 mg p.o.) normalized blood pressure in LNa rats (n = 8), but produced only a 13.4 mm Hg blood pressure drop in RNa rats (n = 8). RNa rats treated with SK&F 64139 were found to have decreased phenylethanolamine N-methyltransferase activity by an average 80% in selected brain stem nuclei when compared with nontreated rats. No significant difference in plasma catecholamine levels was found between the RNa and LNa rats. These results suggest that, in this experimental model of hypertension, the sodium ion might increase the model of hypertension, the sodium ion might increase the vasoconstrictor contribution of the sympathetic system via a centrally mediated neurogenic mechanism while at the same time it decreases the renin-dependency of the high blood pressure.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Optical probing of sodium dynamics in neurons and astrocytes.

Changes in intracellular Na(+) concentration underlie essential neurobiological processes, but few reliable tools exist for their measurement. Here we characterize a new synthetic Na(+)-sensitive fluorescent dye, Asante Natrium Green (ANG), with unique properties. This indicator was excitable in the visible spectrum and by two-photon illumination, suffered little photobleaching and located to the cytosol were it remained for long durations without noticeable unwanted effects on basic cell properties. When used in brain tissue, ANG yielded a bright fluorescent signal during physiological Na(+) responses both in neurons and astrocytes. Synchronous electrophysiological and fluorometric recordings showed that ANG produced accurate Na(+) measurement in situ. This new Na(+) indicator opens innovative ways of probing neuronal circuits.

Hypoxia-induced inhibition of epithelial Na(+) channels in the lung. Role of Nedd4-2 and the ubiquitin-proteasome pathway.

Transepithelial sodium transport via alveolar epithelial Na(+) channels (ENaC) and Na(+),K(+)-ATPase constitutes the driving force for removal of alveolar edema fluid. Alveolar hypoxia associated with pulmonary edema may impair ENaC activity and alveolar Na(+) absorption through a decrease of ENaC subunit expression at the apical membrane of alveolar epithelial cells (AECs). Here, we investigated the mechanism(s) involved in this process in vivo in the β-Liddle mouse strain mice carrying a truncation of β-ENaC C-terminus abolishing the interaction between β-ENaC and the ubiquitin protein-ligase Nedd4-2 that targets the channel for endocytosis and degradation and in vitro in rat AECs. Hypoxia (8% O2 for 24 h) reduced amiloride-sensitive alveolar fluid clearance by 69% in wild-type mice but had no effect in homozygous mutated β-Liddle littermates. In vitro, acute exposure of AECs to hypoxia (0.5-3% O2 for 1-6 h) rapidly decreased transepithelial Na(+) transport as assessed by equivalent short-circuit current Ieq and the amiloride-sensitive component of Na(+) current across the apical membrane, reflecting ENaC activity. Hypoxia induced a decrease of ENaC subunit expression in the apical membrane of AECs with no change in intracellular expression and induced a 2-fold increase in α-ENaC polyubiquitination. Hypoxic inhibition of amiloride-sensitive Ieq was fully prevented by preincubation with the proteasome inhibitors MG132 and lactacystin or with the antioxidant N-acetyl-cysteine. Our data strongly suggest that Nedd4-2-mediated ubiquitination of ENaC leading to endocytosis and degradation of apical Na(+) channels is a key feature of hypoxia-induced inhibition of transepithelial alveolar Na(+) transport.

Identification of SPLUNC1's ENaC-inhibitory domain yields novel strategies to treat sodium hyperabsorption in cystic fibrosis airways.

The epithelial sodium channel (ENaC) is responsible for Na+ and fluid absorption across colon, kidney, and airway epithelia. We have previously identified SPLUNC1 as an autocrine inhibitor of ENaC. We have now located the ENaC inhibitory domain of SPLUNC1 to SPLUNC1's N terminus, and a peptide corresponding to this domain, G22-A39, inhibited ENaC activity to a similar degree as full-length SPLUNC1 (∼2.5 fold). However, G22-A39 had no effect on the structurally related acid-sensing ion channels, indicating specificity for ENaC. G22-A39 preferentially bound to the β-ENaC subunit in a glycosylation-dependent manner. ENaC hyperactivity is contributory to cystic fibrosis (CF) lung disease. Addition of G22-A39 to CF human bronchial epithelial cultures (HBECs) resulted in an increase in airway surface liquid height from 4.2±0.6 to 7.9±0.6 μm, comparable to heights seen in normal HBECs, even in the presence of neutrophil elastase. Our data also indicate that the ENaC inhibitory domain of SPLUNC1 may be cleaved away from the main molecule by neutrophil elastase, which suggests that it may still be active during inflammation or neutrophilia. Furthermore, the robust inhibition of ENaC by the G22-A39 peptide suggests that this peptide may be suitable for treating CF lung disease.

Hemodynamic effects of sodium bicarbonate in critically ill neonates.

OBJECTIVE: To analyze the cardiovascular effects of sodium bicarbonate in neonates with metabolic acidosis. DESIGN: Prospective, open, non-randomized, before-after intervention study with hemodynamic measurements performed before and 1, 5, 10, 20, and 30 min after bicarbonate administration. SETTING: Neonatal intensive care unit, tertiary care center. PATIENTS: Sequential sample of 16 paralysed and mechanically ventilated newborn infants with a metabolic acidosis (pH < 7.25 in premature and < 7.30 in term infants, base deficit > -8). INTERVENTION: An 8.4% sodium bicarbonate solution diluted 1:1 with water (final osmolality of 1000 mOsm/l) was administered in two equal portions at a rate of 0.5 mmol/min. The dose in mmol was calculated using the formula "base deficit x body weight (kg) x 1/3 x 1/2". MEASUREMENTS AND RESULTS: Sodium bicarbonate induced a significant but transient rise in pulsed Doppler cardiac output (CO) (+27.7%), aortic blood flow velocity (+15.3%), systolic blood pressure (BP) (+9.3%), (+14.6%), transcutaneous carbon dioxide pressure (PtcCO2) (+11.8%), and transcutaneous oxygen pressure (PtcO2) (+8%). In spite of the PaCO2 elevation, pH significantly improved (from a mean of 7.24 to 7.30), and the base deficit decreased (-39.3%). Calculated systemic vascular resistance (SVR) (-10.7%) and diastolic BP (-11.7%) decreased significantly, while PaO2 and heart rate (HR) did not change. Central venous pressure (CVP) (+6.5%) increased only slightly. By 30 min after bicarbonate administration all hemodynamic parameters, with the exception of the diastolic BP, had returned to baseline. CONCLUSION: Sodium bicarbonate in neonates with metabolic acidosis induces an increase in contractility and a reduction in afterload.

Nedd4-2 modulates renal Na+-Cl- cotransporter via the aldosterone-SGK1-Nedd4-2 pathway.

Regulation of renal Na(+) transport is essential for controlling blood pressure, as well as Na(+) and K(+) homeostasis. Aldosterone stimulates Na(+) reabsorption by the Na(+)-Cl(-) cotransporter (NCC) in the distal convoluted tubule (DCT) and by the epithelial Na(+) channel (ENaC) in the late DCT, connecting tubule, and collecting duct. Aldosterone increases ENaC expression by inhibiting the channel's ubiquitylation and degradation; aldosterone promotes serum-glucocorticoid-regulated kinase SGK1-mediated phosphorylation of the ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 on serine 328, which prevents the Nedd4-2/ENaC interaction. It is important to note that aldosterone increases NCC protein expression by an unknown post-translational mechanism. Here, we present evidence that Nedd4-2 coimmunoprecipitated with NCC and stimulated NCC ubiquitylation at the surface of transfected HEK293 cells. In Xenopus laevis oocytes, coexpression of NCC with wild-type Nedd4-2, but not its catalytically inactive mutant, strongly decreased NCC activity and surface expression. SGK1 prevented this inhibition in a kinase-dependent manner. Furthermore, deficiency of Nedd4-2 in the renal tubules of mice and in cultured mDCT(15) cells upregulated NCC. In contrast to ENaC, Nedd4-2-mediated inhibition of NCC did not require the PY-like motif of NCC. Moreover, the mutation of Nedd4-2 at either serine 328 or 222 did not affect SGK1 action, and mutation at both sites enhanced Nedd4-2 activity and abolished SGK1-dependent inhibition. Taken together, these results suggest that aldosterone modulates NCC protein expression via a pathway involving SGK1 and Nedd4-2 and provides an explanation for the well-known aldosterone-induced increase in NCC protein expression.

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

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

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain

La douleur neuropathique est une forme de douleur chronique apparaissant suite à des lésions du système nerveux somato-sensoriel. Caractérisée par une plasticité neuronale inadapté, elle est très souvent intense, invalidante, associe des symptômes comme l'allodynie ou l' hyperalgésie et reste difficile à traiter avec les agents thérapeutiques actuels. Le thème de mon travail de thèse se concentre sur des mécanismes moléculaires de modulation des canaux sodiques voltage-dépendants suite à une lésion du nerf périphérique. Dans l'article présenté en annexe, j'ai focalisé mon travail sur une protéine, Nedd4-2, qui est une ligase ubiquitine. Elle a pour rôle de réguler et d'internaliser dans la cellule des protéines membranaires dont les canaux sodiques. Suite aux lésions du système nerveux périphérique, il existe une hyperexcitabilité neuronale engendrée notamment par un surplus et une dysrégulation des canaux sodiques à la membrane cellulaire. Dans 1 'hypothèse que l'ubiquitine ligase Nedd4-2 soit présente dans les neurones sensitifs primaires et ait un rôle dans la régulation des canaux sodiques, nous avons identifié cette protéine dans les neurones nociceptifs primaires du rat. En utilisant des techniques de Western Blot et d'immunohistochimie, j'ai trouvé que Nedd4-2 est présente dans presque 50% des neurones du ganglion spinal et ces neurones sont principalement des neurones nociceptifs. Dans un modèle expérimental de douleur neuropathique (SN I, pour spared nerve injury), Nedd4-2 se retrouve significativement diminuée dans le tissu du ganglion spinal. J'ai également investigué 1' expression de 2 isoformes des canaux sodiques connues pour leur implication dans la douleur, Navl.7 et Navl.8, et ces 2 isoformes se retrouvent dans les mêmes neurones que Nedd4-2. La caractérisation détaillée est décrite dans le manuscrit: «Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain; Cachemaille M, Laedermann CJ, Pertin M, Abriel H, Gasselin RD, Decosterd 1.» Les résultats obtenus indiquent que Nedd4-2, en étant downrégulé après une lésion nerveuse, pourrait ainsi contribuer à une augmentation des canaux sodiques fonctionnels à la membrane. Ainsi Nedd4-2 pourrait être proposée comme cible thérapeutique de manière alternative aux bloqueurs de canaux sodiques. Ce travail a permis l'initiation d'autres expériences. J'ai contribué activement à la construction de vecteurs viraux type adéno-associé recombinant (rAA V2/6) et surexprimé la protéine in vivo dans les ganglions spinaux. Cette partie de mon travail se trouve intégrée dans d'autres travaux de mon laboratoire d'accueil qui a pu démontrer les effets fonctionnels de cette approche sur les courants sodiques enregistrés par électrophysiologie et une diminution de la douleur neuropathique chez la souris. - Abstract-Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltagegated sodium channels (VGSCs), which gives rise toallodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC a-subunits (Nav), in particular Nav1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Nav1.7 and Nav1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in shamoperated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7± 2.7% and 55.0 ±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Nav1.7 and Nav1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9± 1.9% to 33.5± 0.7% (p < 0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%± 0.13% of its basal level (p <0.01, n = 4 animals in each group, mean± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Navs involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.