Regulation of the cardiac voltage-gated sodium channel Nav1.5 : regulation of Nav1.5 by ubiquitin-protein ligases of the Nedd4/Nedd4-like family and characterisation of two novel mutations in the gene encoding Nav1.5 (SCN5A) implicated in the Brugada syndrome triggered by fever

Abstract: The genesis of the cardiac action potential, which accounts for the cardiac contraction, is due to the sodium current INa mediated by the voltage-gated sodium channel Nav1.5. Several cardiac arrhythmias such as the Brugada syndrome are known te be caused by mutations in SCN5A, the gene encoding Nav1.5. Studies of these mutations allowed a better understanding of biophysical and functional properties of Nav1.5. However, only few investigations have been performed in order to understand the regulation of Nav1.5. During my thesis, I investigated different mechanisms of regulation of Nav1.5 using a heterologous expression system, HEK293 cells, coupled with a technique of sodium current recording: the patch clamp in whole cell configuration. In previous studies it has been shown that an enzyme of the Nedd4 family (Nedd4-2) regulates an epithelial sodium channel via the interaction with PY-motifs present in the latter. Interestingly, Nav1.5 contains a similar PY-motif, which motivated us to study the role of Nedd4-2 expressed in heart for the regulation of Nav1.5. In a second study, we investigated the implication of two Nav1.5 mutants, which were either less functional or net functional (Nav1.5 R535X and Nav1.5 L325R respectively) implied in the genesis of the Brugada syndrome by fever. Our results established two mechanisms implied in Nav1.5 regulation. The first one implies that following the interaction between the PY-motif of Nav1.5 and Nedd4- 2 Nav1.5 is ubiquitinated by Nedd4-2. This ubiquitination leads to the internalization of Nav1 .5. The second mechanism is a phenomenon called the "dominant negative" effect of Nav1.5 L325R on Nay1.5 where the decrease of 'Na is potentially due to the retention of Nav1.5 by Nav1.5 L325R in an undefined intracellular compartment. These studies defined two mechanisms of Nav1.5 regulation, which could play an important role for the genesis of cardiac arrhythmias where molecular processes are still poorly understood. Résumé La genèse du potentiel d'action cardiaque, permettant la contraction cardiaque, est due au courant sodique INa issu des canaux sodiques cardiaques dépendants du voltage Nav1.5. Nombreuses arythmies cardiaques telles que le syndrome de Brugada sont connues pour être liées à des mutations du gène SCN5A, codant pour Nav1.5. L'étude de ces mutations a permis une meilleure compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles de Nav1.5 et leurs implications dans la genèse de ces pathologies. Néanmoins peu d'études ont été menées afin de comprendre les mécanismes de régulation de Nav1.5. Mon travail de thèse a consisté à étudier des mécanismes de régulation de Nav1.5 en utilisant un système d'expression hétérologue, les cellules HEK293, couplé à une technique d'enregistrement des courants sodiques, le "patch clamp" en configuration cellule entière. La présence sur Nav1.5 d'un motif-PY similaire à ceux nécessaires pour la régulation d'un canal épithélial sodique par une enzyme de la famille de Nedd4, nous a amenée à étudier le rôle de ces ubiquitine-ligases, en particulier Nedd4-2, dans la régulation de Nav1.5. La seconde étude s'est intéressée aux conséquences de deux mutations de SCN5A codant pour deux mutants peu ou pas fonctionnels (Nav1.5 L325R et Nav1.5 R535X respectivement) retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par un état fébrile. Nos résultats ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de Nav1.5 L'un par Nedd4-2 qui implique rubiquitination de Nav1.5 par cette ligase suite à l'interaction entre le motif-PY de Nav1.5 et Nedd4-2. Cette modification déclenche l'internalisation du canal impliquée dans la diminution d'INa. Le second mécanisme quant à lui est un effet "dominant négatif" de Nav1.5 L325R sur Nav1.5 aboutissant à une diminution d'INa suite à la séquestration intracellulaire potentielle de Nav1.5 par Nav1.5 L325R. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de Nav1.5 pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des arythmies cardiaques dont les processus moléculaires au sein des cardiomyocytes, impliquant des modifications du courant sodiques, sont encore mal compris. Résumé destiné à un large public La dépolarisation électrique de la membrane des cellules cardiaques permet la contraction du coeur. La génèse de cette activité électrique est due au courant sodique issu d'un type de canal à sodium situé dans la membrane des cellules cardiaques. De nombreuses pathologies provoquant des troubles du rythme cardiaque sont issues de mutations du gène qui code pour ce canal à sodium. Ces canaux mutants, entrainant diverses pathologies cardiaques telles que le syndrome de Brugada, ont été largement étudiées. Néanmoins, peu de travaux ont été réalisés sur les mécanismes de régulation de ce canal à sodium non muté. Mon travail de thèse a consisté à étudier certains des mécanismes de régulation de ce canal à sodium en utilisant une technique permettant l'enregistrement des courants sodiques issus de l'expression de ces canaux à sodium à la membrane de cellules mammifères. La présence sur ce canal à sodium d'une structure spécifique, similaire à celle nécessaire pour la régulation d'un canal épithélial à sodium par une enzyme appelée Nedd4-2, nous a amenée à étudier le rôle de cette enzyme dans la régulation de ce canal à sodium. La seconde étude s'est intéressée aux rôles de deux mutations du gène codant pour ce canal à sodium retrouvées chez des patients présentant un syndrome de Brugada exacerbé par la fièvre. Nos résultats nous ont permis d'établir deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium diminuant le courant sodique l'un par l'action de l'enzyme Nedd4-2, suite à son interaction avec ce canal, qui modifie ce canal à sodium (ubiquitination) diminuant de ce fait la densité membranaire du canal. L'autre par un mécanisme suggérant un effet négatif de l'un des canaux mutants sur l'expression à la membrane du canal à sodium non muté. Ces études ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de ce canal à sodium pouvant jouer un rôle majeur dans la genèse et/ou l'accentuation des troubles du rythme cardiaques dont les mécanismes cellulaires sont encore incompris.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Biotic effects of the Chicxulub impact, K-T catastrophe and sea level change in Texas

Biotic effects of the Chicxulub impact, the K-T event and sea level change upon planktic foraminifera were evaluated in a new core and outcrops along the Brazos River, Texas, about 1000 km from the Chicxulub impact crater on Yucatan, Mexico. Sediment deposition occurred in a middle neritic environment that shallowed to inner neritic depths near the end of the Maastrichtian. The sea level fall scoured submarine channels, which were infilled by a sandstone complex with reworked Chicxulub impact spherules and clasts with spherules near the base. The original Chicxulub impact ejecta layer was discovered 45-60 cm below the sandstone complex, and predates the K-T mass extinction by about 300,000 years. Results show that the Chicxulub impact caused no species extinctions or any other significant biotic effects. The subsequent sea level fall to inner neritic depth resulted in the disappearance of all larger (>150 mu m) deeper dwelling species creating a pseudo-mass extinction and a survivor assemblage of small surface dwellers and low oxygen tolerant taxa. The K-T boundary and mass extinction was identified 40-80 cm above the sandstone complex where all but some heterohelicids, hedbergellids and the disaster opportunistic guembelitfids went extinct, coincident with the evolution of first Danian species and the global delta(13)C shift. These data reveal that sea level changes profoundly influenced marine assemblages in near shore environments, that the Chicxulub impact and K-T mass extinction are two separate and unrelated events, and that the biotic effects of this impact have been vastly overestimated. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The effect of homozygous deletion of the BBOX1 and Fibin genes on carnitine level and acyl carnitine profile.

BACKGROUND: Carnitine is a key molecule in energy metabolism that helps transport activated fatty acids into the mitochondria. Its homeostasis is achieved through oral intake, renal reabsorption and de novo biosynthesis. Unlike dietary intake and renal reabsorption, the importance of de novo biosynthesis pathway in carnitine homeostasis remains unclear, due to lack of animal models and description of a single patient defective in this pathway. CASE PRESENTATION: We identified by array comparative genomic hybridization a 42 months-old girl homozygote for a 221 Kb interstitial deletions at 11p14.2, that overlaps the genes encoding Fibin and butyrobetaine-gamma 2-oxoglutarate dioxygenase 1 (BBOX1), an enzyme essential for the biosynthesis of carnitine de novo. She presented microcephaly, speech delay, growth retardation and minor facial anomalies. The levels of almost all evaluated metabolites were normal. Her serum level of free carnitine was at the lower limit of the reference range, while her acylcarnitine to free carnitine ratio was normal. CONCLUSIONS: We present an individual with a completely defective carnitine de novo biosynthesis. This condition results in mildly decreased free carnitine level, but not in clinical manifestations characteristic of carnitine deficiency disorders, suggesting that dietary carnitine intake and renal reabsorption are sufficient to carnitine homeostasis. Our results also demonstrate that haploinsufficiency of BBOX1 and/or Fibin is not associated with Primrose syndrome as previously suggested.

Inactivation of L-type calcium channels is determined by the length of the N terminus of mutant beta(1) subunits.

Voltage-dependent calcium channel (Ca(v)) pores are modulated by cytosolic beta subunits. Four beta-subunit genes and their splice variants offer a wide structural array for tissue- or disease-specific biophysical gating phenotypes. For instance, the length of the N terminus of beta(2) subunits has major effects on activation and inactivation rates. We tested whether a similar mechanism principally operates in a beta(1) subunit. Wild-type beta(1a) subunit (N terminus length 60 aa) and its newly generated N-terminal deletion mutants (51, 27 and 18 aa) were examined within recombinant L-type calcium channel complexes (Ca(v)1.2 and alpha(2)delta2) in HEK293 cells at the whole-cell and single-channel level. Whole-cell currents were enhanced by co-transfection of the full-length beta(1a) subunit and by all truncated constructs. Voltage dependence of steady-state activation and inactivation did not depend on N terminus length, but inactivation rate was diminished by N terminus truncation. This was confirmed at the single-channel level, using ensemble average currents. Additionally, gating properties were estimated by Markov modeling. In confirmation of the descriptive analysis, inactivation rate, but none of the other transition rates, was reduced by shortening of the beta(1a) subunit N terminus. Our study shows that the length-dependent mechanism of modulating inactivation kinetics of beta(2) calcium channel subunits can be confirmed and extended to the beta(1) calcium channel subunit.

Music and felt emotions: how systematic pitch level variations affect the experience of pleasantness and arousal

Pitch is a fundamental musical factor; however, findings about its contribution to the elicitation of emotions are contradictory. The purpose of this work was to assess the effect of systematic pitch variations on self-reports of felt valence and arousal. In a within-subject design, 49 subjects listened to four 1-minute classical piano excerpts, each presented at three different pitch levels (one octave lower than the original version, the original version and one octave higher than the original version). Compared to excerpts both without octave modification and in the +1 octave variant, pleasantness of excerpts in the -1 octave variant was significantly lower. This main effect was stronger for women than men and, importantly, was modulated by the specific characteristics of the stimuli. There was also a significant, yet smaller, negative relationship between pitch level and arousal, moderated by gender: Compared to higher pitch, lower pitch was associated with higher arousal in men only. Regarding the complex outcomes of this study, future studies should investigate to which extent our findings can be generalized to other musical works. The ultimate goal might be to demonstrate how pitch level interacts with other musical features and listeners' characteristics in eliciting diverse affective experiences.

High level expression of human neuropeptide Y receptors in mammalian cells infected with a recombinant vaccinia virus.

Neuropeptide Y (NPY) is a 36 amino acid peptide present in the central and peripheral nervous system. Numerous studies point to a role of NPY in cardiovascular regulation. NPY effects are mediated through stimulation of specific cell surface G protein-coupled receptors. To allow biochemical studies of the receptor and of its interaction with the ligand, we have developed a potent expression system for NPY receptors using a recombinant vaccinia virus. A human NPY receptor cDNA was fused to a strong vaccinia virus promoter and inserted into the viral genome by homologous recombination. Recombinant viruses were isolated and tested for their ability to induce NPY binding site expression following infection of mammalian cell lines. Using saturation and competition binding experiments we measured a Bmax of 5-10 x 10(6) NPY binding sites per cell. The Kd for the binding of NPY is about 20 nM. Labelling of infected cells with a fluorochrome-labelled NPY indicated that the recombinant protein integrates into the cell membrane.

Light-induced retinal degeneration correlates with changes in iron metabolism gene expression, ferritin level, and aging.

PURPOSE: Retinal degeneration is associated with iron accumulation in several rodent models in which iron-regulating proteins are impaired. Oxidative stress is catalyzed by unbound iron. METHODS: The role of the heavy chain of ferritin, which sequesters iron, in regulating the thickness of the photoreceptor nuclear layer in the 4- and 16-month-old wild-type H ferritin (HFt(+/+)) and heterozygous H ferritin (HFt(+/-)) mice was investigated, before and 12 days after exposure to 13,000-lux light for 24 hours. The regulation of gene expression of the various proteins involved in iron homeostasis, such as transferrin, transferrin receptor, hephaestin, ferroportin, iron regulatory proteins 1 and 2, hepcidin, ceruloplasmin, and heme-oxygenase 1, was analyzed by quantitative (q)RT-PCR during exposure (2, 12, and 24 hours) and 24 hours after 1 day of exposure in the 4-month-old HFt(+/+) and HFt(+/-) mouse retinas. RESULTS: Retinal degeneration in the 4-month-old HFt(+/-) mice was more extensive than in the HFt(+/+) mice. Yet, it was more extensive in both of the 16-month-old mouse groups, revealing the combined effect of age and excessive light. Injury caused by excessive light modified the temporal gene expression of iron-regulating proteins similarly in the HFt(+/-) and HFt(+/+) mice. CONCLUSIONS: Loss of one allele of H ferritin appears to increase light-induced degeneration. This study highlighted that oxidative stress related to light-induced injury is associated with major changes in gene expression of iron metabolism proteins.

Estimating national-level syringe availability to injecting drug users and injection coverage: Switzerland, 1996-2006.

BACKGROUND: Measuring syringe availability and coverage is essential in the assessment of HIV/AIDS risk reduction policies. Estimates of syringe availability and coverage were produced for the years 1996 and 2006, based on all relevant available national-level aggregated data from published sources. METHODS: We defined availability as the total monthly number of syringes provided by harm reduction system divided by the estimated number of injecting drug users (IDU), and defined coverage as the proportion of injections performed with a new syringe, at national level (total supply over total demand). Estimates of supply of syringes were derived from the national monitoring system, including needle and syringe programmes (NSP), pharmacies, and medically prescribed heroin programmes. Estimates of syringe demand were based on the number of injections performed by IDU derived from surveys of low threshold facilities for drug users (LTF) with NSP combined with the number of IDU. This number was estimated by two methods combining estimates of heroin users (multiple estimation method) and (a) the number of IDU in methadone treatment (MT) (non-injectors) or (b) the proportion of injectors amongst LTF attendees. Central estimates and ranges were obtained for availability and coverage. RESULTS: The estimated number of IDU decreased markedly according to both methods. The MT-based method (from 14,818 to 4809) showed a much greater decrease and smaller size of the IDU population compared to the LTF-based method (from 24,510 to 12,320). Availability and coverage estimates are higher with the MT-based method. For 1996, central estimates of syringe availability were 30.5 and 18.4 per IDU per month; for 2006, they were 76.5 and 29.9. There were 4 central estimates of coverage. For 1996 they ranged from 24.3% to 43.3%, and for 2006, from 50.5% to 134.3%. CONCLUSION: Although 2006 estimates overlap 1996 estimates, the results suggest a shift to improved syringe availability and coverage over time.