Genetic dissection of sodium and potassium transport along the aldosterone-sensitive distal nephron: Importance in the control of blood pressure and hypertension.

In this review, we discuss genetic evidence supporting Guyton's hypothesis stating that blood pressure control is critically depending on fluid handling by the kidney. The review is focused on the genetic dissection of sodium and potassium transport in the distal nephron and the collecting duct that are the most important sites for the control of sodium and potassium balance by aldosterone and angiotensin II. Thanks to the study of Mendelian forms of hypertension and their corresponding transgenic mouse models, three main classes of diuretic receptors (furosemide, thiazide, amiloride) and the main components of the aldosterone- and angiotensin-dependent signaling pathways were molecularly identified over the past 20years. This will allow to design rational strategies for the treatment of hypertension and for the development of the next generation of diuretics.

Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium.

In higher plants, roots acquire water and soil nutrients and transport them upward to their aerial parts. These functions are closely related to their anatomical structure; water and nutrients entering the root first move radially through several concentric layers of the epidermis, cortex, and endodermis before entering the central cylinder. The endodermis is the innermost cortical cell layer that features rings of hydrophobic cell wall material called the Casparian strips, which functionally resemble tight junctions in animal epithelia. Nutrient uptake from the soil can occur through three different routes that can be interconnected in various ways: the apoplastic route (through the cell wall), the symplastic route (through cellular connections), and a coupled trans-cellular route (involving polarized influx and efflux carriers). This Update presents recent advances in the radial transport of nutrients highlighting the coupled trans-cellular pathway and the roles played by the endodermis as a barrier.

The Effect Of Induced Intraocular Straylight (cataract Simulation) On Sensitivity Measures Of Standard Automated Perimetry, Pulsar Perimetry And Moorfields Motion Displacement Test

Purpose: To investigate the effect of incremental increases in intraocular straylight on threshold measurements made by three modern forms of perimetry: Standard Automated Perimetry (SAP) using Octopus (Dynamic, G-Pattern), Pulsar Perimetry (PP) (TOP, 66 points) and the Moorfields Motion Displacement Test (MDT) (WEBS, 32 points).Methods: Four healthy young observers were recruited (mean age 26yrs [25yrs, 28yrs]), refractive correction [+2 D, -4.25D]). Five white opacity filters (WOF), each scattering light by different amounts were used to create incremental increases in intraocular straylight (IS). Resultant IS values were measured with each WOF and at baseline (no WOF) for each subject using a C-Quant Straylight Meter (Oculus, Wetzlar, Germany). A 25 yr old has an IS value of ~0.85 log(s). An increase of 40% in IS to 1.2log(s) corresponds to the physiological value of a 70yr old. Each WOFs created an increase in IS between 10-150% from baseline, ranging from effects similar to normal aging to those found with considerable cataract. Each subject underwent 6 test sessions over a 2-week period; each session consisted of the 3 perimetric tests using one of the five WOFs and baseline (both instrument and filter were randomised).Results: The reduction in sensitivity from baseline was calculated. A two-way ANOVA on mean change in threshold (where subjects were treated as rows in the block and each increment in fog filters was treated as column) was used to examine the effect of incremental increases in straylight. Both SAP (p<0.001) and Pulsar (p<0.001) were significantly affected by increases in straylight. The MDT (p=0.35) remained comparatively robust to increases in straylight.Conclusions: The Moorfields MDT measurement of threshold is robust to effects of additional straylight as compared to SAP and PP.

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.

Dysfunction of epithelial sodium transport: from human to mouse.

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) is an apical membrane constituent of cells of many salt-absorbing epithelia. In the kidney, the functional relevance of ENaC expression has been well established. ENaC mediates the aldosterone-dependent sodium reabsorption in the distal nephron and is involved in the regulation of blood pressure. Mutations in genes encoding ENaC subunits are causative for two human inherited diseases: Liddle's syndrome, a severe form of hypertension associated with ENaC hyperfunction, and pseudohypoaldosteronism (PHA-1), a salt-wasting syndrome caused by decreased ENaC function. Transgenic mouse technologies provide a useful tool to study the role of ENaC in vivo. Different mouse lines have been established in which each of the ENaC subunits was affected. The phenotypes observed in these mice demonstrated that each subunit is essential for survival and for regulation of sodium transport in kidney and colon. Moreover, the alpha subunit plays a specific role in the control of fluid absorption in the airways at birth. Such mice can now be used to study the role of ENaC in various organs and can serve as models to understand the pathophysiology of these human diseases.

Localization in sucrose gradients of the pyrophosphate-dependent proton transport of maize root membranes.

A maize (Zea mays L. cv LG 11) root homogenate was prepared and centrifuged to sediment the mitochondria. The pellet (6 KP) and the supernatant (6 KS) were collected and fractionated on linear sucrose density gradients. Marker enzymes were used to study the distribution of the different cell membranes in the gradients. The distribution of the ATP- and pyrophosphate-dependent proton pumping activities was similar after 3 hours of centrifugation of the 6 KS or the 6 KP fraction. The pumps were clearly separated from the mitochondrial marker cytochrome c oxidase and the plasmalemma marker UDP-glucose-sterolglucosyl-transferase. The pyrophosphate-dependent proton pump might be associated with the tonoplast, as the ATP-dependent pump, despite the lack of a specific marker for this membrane. However, under all the conditions tested, the two pumps overlapped the Golgi markers latent UDPase and glucan synthase I and the ER marker NADH-cytochrome c reductase. It is therefore not possible to exclude the presence of proton pumping activities on the Golgi or the ER of maize root cells. The two pumps (but especially the pyrophosphate-dependent one) were more active (or more abundant) in the tip than in the basal part of maize roots, indicating that these activities might be important in growth processes.

Orthotropic active strain models for the numerical simulation of cardiac biomechanics

An active strain formulation for orthotropic constitutive laws arising in cardiac mechanics modeling is introduced and studied. The passive mechanical properties of the tissue are described by the Holzapfel-Ogden relation. In the active strain formulation, the Euler-Lagrange equations for minimizing the total energy are written in terms of active and passive deformation factors, where the active part is assumed to depend, at the cell level, on the electrodynamics and on the specific orientation of the cardiac cells. The well-posedness of the linear system derived from a generic Newton iteration of the original problem is analyzed and different mechanical activation functions are considered. In addition, the active strain formulation is compared with the classical active stress formulation from both numerical and modeling perspectives. Taylor-Hood and MINI finite elements are employed to discretize the mechanical problem. The results of several numerical experiments show that the proposed formulation is mathematically consistent and is able to represent the main key features of the phenomenon, while allowing savings in computational costs.

Vasopressin-dependent coupling between sodium transport and water flow in a mouse cortical collecting duct cell line.

Water balance is achieved through the ability of the kidney to control water reabsorption in the connecting tubule and the collecting duct. In a mouse cortical collecting duct cell line (mCCD(c11)), physiological concentrations of arginine vasopressin increased both electrogenic, amiloride-sensitive, epithelial sodium channel (ENaC)-mediated sodium transport measured by the short-circuit current (Isc) method and water flow (Jv apical to basal) measured by gravimetry with similar activation coefficient K(1/2) (6 and 12 pM, respectively). Jv increased linearly according to the osmotic gradient across the monolayer. A small but highly significant Jv was also measured under isoosmotic conditions. To test the coupling between sodium reabsorption and water flow, mCCD(c11) cells were treated for 24 h under isoosmotic condition with either diluent, amiloride, vasopressin or vasopressin and amiloride. Isc, Jv, and net chemical sodium fluxes were measured across the same monolayers. Around 30% of baseline and 50% of vasopressin-induced water flow is coupled to an amiloride-sensitive, ENaC-mediated, electrogenic sodium transport, whereas the remaining flow is coupled to an amiloride-insensitive, nonelectrogenic sodium transport mediated by an unknown electroneutral transporter. The mCCD(c11) cell line is a first example of a mammalian tight epithelium allowing quantitative study of the coupling between sodium and water transport. Our data are consistent with the 'near isoosmotic' fluid transport model.