A single point mutation in the pore region of the epithelial Na+ channel changes ion selectivity by modifying molecular sieving.

The epithelial Na+ channel (ENaC) belongs to a new class of channel proteins called the ENaC/DEG superfamily involved in epithelial Na+ transport, mechanotransduction, and neurotransmission. The role of ENaC in Na+ homeostasis and in the control of blood pressure has been demonstrated recently by the identification of mutations in ENaC beta and gamma subunits causing hypertension. The function of ENaC in Na+ reabsorption depends critically on its ability to discriminate between Na+ and other ions like K+ or Ca2+. ENaC is virtually impermeant to K+ ions, and the molecular basis for its high ionic selectivity is largely unknown. We have identified a conserved Ser residue in the second transmembrane domain of the ENaC alpha subunit (alphaS589), which when mutated allows larger ions such as K+, Rb+, Cs+, and divalent cations to pass through the channel. The relative ion permeability of each of the alphaS589 mutants is related inversely to the ionic radius of the permeant ion, indicating that alphaS589 mutations increase the molecular cutoff of the channel by modifying the pore geometry at the selectivity filter. Proper geometry of the pore is required to tightly accommodate Na+ and Li+ ions and to exclude larger cations. We provide evidence that ENaC discriminates between cations mainly on the basis of their size and the energy of dehydration.

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.

Evaluation of uptake and transport of ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles by human brain-derived endothelial cells.

Aim: Ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIO-NPs) are under development for imaging and drug delivery; however, their interaction with human blood-brain barrier models is not known. Materials & Methods: The uptake, reactive oxygen species production and transport of USPIO-NPs across human brain-derived endothelial cells as models of the blood-brain tumor barrier were evaluated for either uncoated, oleic acid-coated or polyvinylamine-coated USPIO-NPs. Results: Reactive oxygen species production was observed for oleic acid-coated and polyvinylamine-coated USPIO-NPs. The uptake and intracellular localization of the iron oxide core of the USPIO-NPs was confirmed by transmission electron microscopy. However, while the uptake of these USPIO-NPs by cells was observed, they were neither released by nor transported across these cells even in the presence of an external dynamic magnetic field. Conclusion: USPIO-NP-loaded filopodia were observed to invade the polyester membrane, suggesting that they can be transported by migrating angiogenic brain-derived endothelial cells.

Differences in glucose transporter gene expression between rat pancreatic alpha- and beta-cells are correlated to differences in glucose transport but not in glucose utilization.

Glucose exerts inverse effects upon the secretory function of islet alpha- and beta-cells, suppressing glucagon release and increasing insulin release. This diverse action may result from differences in glucose transport and metabolism between the two cell types. The present study compares glucose transport in rat alpha- and beta-cells. beta-Cells transcribed GLUT2 and, to a lesser extent, GLUT 1; alpha-cells contained GLUT1 but no GLUT2 mRNA. No other GLUT-like sequences were found among cDNAs from alpha- or beta-cells. Both cell types expressed 43-kDa GLUT1 protein which was enhanced by culture. The 62-kDa beta-cell GLUT2 protein was converted to a 58-kDa protein after trypsin treatment of the cells without detectable consequences upon glucose transport kinetics. In beta-cells, the rates of glucose transport were 10-fold higher than in alpha-cells. In both cell types, glucose uptake exceeded the rates of glucose utilization by a factor of 10 or more. Glycolytic flux, measured as D-[5(3)H]glucose utilization, was comparable in alpha- and beta-cells between 1 and 10 mmol/liter substrate. In conclusion, differences in glucose transporter gene expression between alpha- and beta-cells can be correlated with differences in glucose transport kinetics but not with different glucose utilization rates.

An interaction network of the mammalian COP9 signalosome identifies Dda1 as a core subunit of multiple Cul4-based E3 ligases.

The COP9 signalosome (CSN) is an evolutionarily conserved macromolecular complex that interacts with cullin-RING E3 ligases (CRLs) and regulates their activity by hydrolyzing cullin-Nedd8 conjugates. The CSN sequesters inactive CRL4(Ddb2), which rapidly dissociates from the CSN upon DNA damage. Here we systematically define the protein interaction network of the mammalian CSN through mass spectrometric interrogation of the CSN subunits Csn1, Csn3, Csn4, Csn5, Csn6 and Csn7a. Notably, we identified a subset of CRL complexes that stably interact with the CSN and thus might similarly be activated by dissociation from the CSN in response to specific cues. In addition, we detected several new proteins in the CRL-CSN interactome, including Dda1, which we characterized as a chromatin-associated core subunit of multiple CRL4 proteins. Cells depleted of Dda1 spontaneously accumulated double-stranded DNA breaks in a similar way to Cul4A-, Cul4B- or Wdr23-depleted cells, indicating that Dda1 interacts physically and functionally with CRL4 complexes. This analysis identifies new components of the CRL family of E3 ligases and elaborates new connections between the CRL and CSN complexes.

Astrocyte-neuron lactate transport is required for long-term memory formation.

We report that, in the rat hippocampus, learning leads to a significant increase in extracellular lactate levels that derive from glycogen, an energy reserve selectively localized in astrocytes. Astrocytic glycogen breakdown and lactate release are essential for long-term but not short-term memory formation, and for the maintenance of long-term potentiation (LTP) of synaptic strength elicited in vivo. Disrupting the expression of the astrocytic lactate transporters monocarboxylate transporter 4 (MCT4) or MCT1 causes amnesia, which, like LTP impairment, is rescued by L-lactate but not equicaloric glucose. Disrupting the expression of the neuronal lactate transporter MCT2 also leads to amnesia that is unaffected by either L-lactate or glucose, suggesting that lactate import into neurons is necessary for long-term memory. Glycogenolysis and astrocytic lactate transporters are also critical for the induction of molecular changes required for memory formation, including the induction of phospho-CREB, Arc, and phospho-cofilin. We conclude that astrocyte-neuron lactate transport is required for long-term memory formation.

G alpha-q/11 protein plays a key role in insulin-induced glucose transport in 3T3-L1 adipocytes.

We evaluated the role of the G alpha-q (Galphaq) subunit of heterotrimeric G proteins in the insulin signaling pathway leading to GLUT4 translocation. We inhibited endogenous Galphaq function by single cell microinjection of anti-Galphaq/11 antibody or RGS2 protein (a GAP protein for Galphaq), followed by immunostaining to assess GLUT4 translocation in 3T3-L1 adipocytes. Galphaq/11 antibody and RGS2 inhibited insulin-induced GLUT4 translocation by 60 or 75%, respectively, indicating that activated Galphaq is important for insulin-induced glucose transport. We then assessed the effect of overexpressing wild-type Galphaq (WT-Galphaq) or a constitutively active Galphaq mutant (Q209L-Galphaq) by using an adenovirus expression vector. In the basal state, Q209L-Galphaq expression stimulated 2-deoxy-D-glucose uptake and GLUT4 translocation to 70% of the maximal insulin effect. This effect of Q209L-Galphaq was inhibited by wortmannin, suggesting that it is phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-kinase) dependent. We further show that Q209L-Galphaq stimulates PI3-kinase activity in p110alpha and p110gamma immunoprecipitates by 3- and 8-fold, respectively, whereas insulin stimulates this activity mostly in p110alpha by 10-fold. Nevertheless, only microinjection of anti-p110alpha (and not p110gamma) antibody inhibited both insulin- and Q209L-Galphaq-induced GLUT4 translocation, suggesting that the metabolic effects induced by Q209L-Galphaq are dependent on the p110alpha subunit of PI3-kinase. In summary, (i) Galphaq appears to play a necessary role in insulin-stimulated glucose transport, (ii) Galphaq action in the insulin signaling pathway is upstream of and dependent upon PI3-kinase, and (iii) Galphaq can transmit signals from the insulin receptor to the p110alpha subunit of PI3-kinase, which leads to GLUT4 translocation.

Cation Transport Coupled to ATP Hydrolysis By the (Na, K)-ATPase : an integrated, animated model

An Adobe (R) animation is presented for use in undergraduate Biochemistry courses, illustrating the mechanism of Na+ and K+ translocation coupled to ATP hydrolysis by the (Na, K)-ATPase, a P-2c-type ATPase, or ATP-powered ion pump that actively translocates cations across plasma membranes. The enzyme is also known as an E-1/E-2-ATPase as it undergoes conformational changes between the E-1 and E-2 forms during the pumping cycle, altering the affinity and accessibility of the transmembrane ion-binding sites. The animation is based on Horisberger's scheme that incorporates the most recent significant findings to have improved our understanding of the (Na, K)-ATPase structure function relationship. The movements of the various domains within the (Na, K)-ATPase alpha-subunit illustrate the conformational changes that occur during Na+ and K+ translocation across the membrane and emphasize involvement of the actuator, nucleotide, and phosphorylation domains, that is, the "core engine" of the pump, with respect to ATP binding, cation transport, and ADP and P-i release.

Receptor occupancy vs. induction of Na+-K+-ATPase and Na+ transport by aldosterone.

In the urinary bladder of the toad Bufo marinus aldosterone (between 0.8 and 100 nM) stimulates Na+ transport [half-maximal induction concentration (K1/2) = 6.5 nM]. At low hormone concentrations (0.8-8 nM), the increase of Na+ transport between 0.75 and 2.5 h is accompanied by a fall in transepithelial resistance (R). Higher hormone concentrations (30-800 nM) induce an additional resistance-independent fraction of Na+ transport within 2.5-8 h. From 6 h on, aldosterone (between 0.2 and 20 nM) stimulates in the same tissue the biosynthesis rate of the alpha- and beta-subunits of Na+-K+-ATPase (K1/2 = 3 and 1.5 nM, respectively). New pump synthesis is thus not a prerequisite for the early mineralocorticoid response but might be linked to the late transport event. The mineralocorticoid response is usually ascribed to interaction with the higher affinity type 1 receptor. In the present study we show, however, that at least 55% of the overall Na+ transport response is linked to nuclear occupation of the lower affinity type 2 receptors [dissociation constant (Kd) = 50 nM, maximum number of binding sites (Nmax) = 315 fmol/mg protein]. Distinct aldosterone effects, such as the fall in R and the increase in Na+-K+-ATPase synthesis, are more closely related to occupation of type 1 receptors (Kd = 0.3 nM, Nmax = 23 fmol/mg protein). At maximal induction of these latter parameters, only about 20% of type 2 receptors are occupied. These results suggest that both types of aldosterone receptors are involved in the mediation of the full mineralocorticoid response: type 1 in the early and late and type 2 particularly in the late tissue response.

Characterization of cerebral glucose dynamics in vivo with a four-state conformational model of transport at the blood-brain barrier.

Determination of brain glucose transport kinetics in vivo at steady-state typically does not allow distinguishing apparent maximum transport rate (T(max)) from cerebral consumption rate. Using a four-state conformational model of glucose transport, we show that simultaneous dynamic measurement of brain and plasma glucose concentrations provide enough information for independent and reliable determination of the two rates. In addition, although dynamic glucose homeostasis can be described with a reversible Michaelis-Menten model, which is implicit to the large iso-inhibition constant (K(ii)) relative to physiological brain glucose content, we found that the apparent affinity constant (K(t)) was better determined with the four-state conformational model of glucose transport than with any of the other models tested. Furthermore, we confirmed the utility of the present method to determine glucose transport and consumption by analysing the modulation of both glucose transport and consumption by anaesthesia conditions that modify cerebral activity. In particular, deep thiopental anaesthesia caused a significant reduction of both T(max) and cerebral metabolic rate for glucose consumption. In conclusion, dynamic measurement of brain glucose in vivo in function of plasma glucose allows robust determination of both glucose uptake and consumption kinetics.

Regulation of sodium transport in the cortical collecting duct : physiological role of GILZ in vitro and in vivo : characterisation of Na+ transport in the mCCDcl1 cell line

SUMMARY Regulation of sodium excretion by the kidney is a key mechanism in the long term regulation of blood pressure, and when altered it constitutes a risk factor for the appearance of arterial hypertension. Aldosterone, which secretion depends upon salt intake in the diet, is a steroid hormone that regulates sodium reabsorption in the distal part of the nephron (functional unit of the kidney) by modulating gene transcription. It has been shown that it can act synergistically with the peptidic hormone insulin through the interaction of their signalisation pathways. Our work consisted of two distinct parts: 1) the in vitro and in vivo characterisation of Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper (GILZ) (an aldosterone-induced gene) mechanism of action; 2) the in vitro characterisation of insulin mechanism of action and its interaction with aldosterone. GILZ mRNA, coded by the TSC22D3 gene, is strongly induced by aldosterone in the cell line of principal cells of the cortical collecting duct (CCD) mpkCCDc14, suggesting that GILZ is a mediator of aldosterone response. Co-expression of GILZ and the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC in vitro in the Xenopus oocyte expression system showed that GILZ has no direct effect on the ENaC-mediated Na+ current in basal conditions. To define the role of GILZ in the kidney and in other organs (colon, heart, skin, etc.), a conditional knock-out mouse is being produced and will allow the in vivo study of its role. Previous data showed that insulin induced a transepithelial sodium transport at supraphysiological concentrations. Insulin and the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) are able to bind to each other receptor with an affinity 50 to 100 times lower than to their cognate receptor. Our starting hypothesis was that the insulin effect observed at these supraphysiological concentrations is actually mediated by the IGF receptor type 1 (IGF-1R). In a new cell line that presents all the characteristics of the principal cells of the CCD (mCCDc11) we have shown that both insulin and IGF-1 induce a physiologically significant increase of Na+ transport through the activation of IGF-1R. Aldosterone and insulin/IGF-1 have an additive effect on Na+ transport, through the activation of the PI3-kinase (PI3-K) pathway and the phosphorylation of the serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) by the IGF-1R, and the induction of Sgk1 expression by aldosterone. Thus, Sgk1 integrates IGF-1/insulin and aldosterone effects. We suggest that IGF-1 is physiologically relevant in the modulation of sodium balance, while insulin can only regulate Na+ transport at supraphysiological conditions. Both hormones would bind to the IGF-1R and induce Na+ transport by activating the PI3-K PDK1/2 - Sgk1 pathway. We have shown for the first time that Sgk1 is expressed and phosphorylated in principal cells of the CCD in basal conditions, although the mechanism that maintains Sgk1 phosphorylation is not known. This new role for IGF-1 suggests that it could be a salt susceptibility gene. In effect, IGF-1 stimulates Na+ and water transport in the kidney in vivo. Moreover, 35 % of the acromegalic patients (overproduction of growth hormone and IGF-1) are hypertensives (higher proportion than in normal population), and genetic analysis suggest a link between the IGF-1 gene locus and blood pressure. RÉSUMÉ La régulation de l'excrétion rénale de sodium (Na+) joue un rôle principal dans le contrôle à long terme de la pression sanguine, et ses altérations constituent un facteur de risque de l'apparition d'une hypertension artérielle. L'aldosterone, dont la sécrétion dépend de l'apport en sel dans la diète, est une hormone stéroïdienne qui régule la réabsorption de Na+ dans la partie distale du nephron (unité fonctionnelle du rein) en contrôlant la transcription de gènes. Elle peut agir de façon synergistique avec l'hormone peptidique insuline, probablement via l'interaction de leurs voies de signalisation cellulaire. Le but de notre travail comportait deux volets: 1) caractériser in vitro et in vivo le mécanisme d'action du Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ) (un gène induit par l'aldosterone); 2) caractériser in vitro le mécanisme d'action de l'insuline et son interaction avec l'aldosterone. L'ARNm de GILZ, codé par le gène TSC22D3, est induit par l'aldosterone dans la lignée cellulaire de cellules principales du tubule collecteur cortical (CCD) mpkCCDc14, suggérant que GILZ est un médiateur potentiel de la réponse à l'aldosterone. La co-expression in vitro de GILZ et du canal à Na+ sensible à l'amiloride ENaC dans le système d'expression de l'oocyte de Xénope a montré que GILZ n'a pas d'effet sur les courants sodiques véhiculées par ENaC en conditions basales. Une souris knock-out conditionnelle de GILZ est en train d'être produite et permettra l'étude in vivo de son rôle dans le rein et d'autres organes. Des expériences préliminaires ont montré que l'insuline induit un transport transépithelial de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. L'insuline et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1) peuvent se lier à leurs récepteurs réciproques avec une affinité 50 à 100 fois moindre qu'à leur propre récepteur. Nous avons donc proposé que l'effet de l'insuline soit médié par le récepteur à l'IGF type 1 (IGF-1R). Dans une nouvelle lignée cellulaire qui présente toutes les caractéristiques des cellules principales du CCD (mCCDc11) nous avons montré que les deux hormones induisent une augmentation physiologiquement significative du transport du Na+ par l'activation des IGF-1 R. Aldosterone et insuline/IGF-1 ont un effet additif sur le transport de Na+, via l'activation de la voie de la PI3-kinase et la phosphorylation de la serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) par l'IGF-1R, dont l'expression est induite par l'aldosterone. Sgk1 intègre les effets de l'insuline et l'aldosterone. Nous proposons que l'IGF-1 joue un rôle dans la modulation physiologique de la balance sodique, tandis que l'insuline régule le transport de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. Les deux hormones agissent en se liant à l'IGF-1R et induisent le transport de Na+ en activant la cascade de signalisation PI3-K - PDK1/2 - Sgk1. Nous avons montré pour la première fois que Sgk1 est exprimée et phosphorylée dans des conditions basales dans les cellules principales du CCD, mais le mécanisme qui maintient sa phosphorylation n'est pas connu. Ce nouveau rôle pour l'IGF-1 suggère qu'il pourrait être un gène impliqué de susceptibilité au sel. Aussi, l'IGF-1 stimule le transport rénal de Na+ in vivo. De plus, 35 % des patients atteints d'acromégalie (surproduction d'hormone de croissance et d'IGF-1) sont hypertensifs (prévalence plus élevée que la population normale), et des analyses génétiques suggèrent un lien entre le locus du gène de l'IGF-1 et la pression sanguine. RÉSUMÉ GRAND PUBLIC Nos ancêtres se sont génétiquement adaptés pendant des centaines de millénaires à un environnement pauvre en sel (chlorure de sodium) dans la savane équatoriale, où ils consommaient moins de 0,1 gramme de sel par jour. On a commencé à ajouter du sel aux aliments avec l'apparition de l'agriculture (il y a 5000 à 10000 années), et aujourd'hui une diète omnivore, qui inclut des plats préparés, contient plusieurs fois la quantité de sodium nécessaire pour notre fonction physiologique normale (environ 10 grammes par jour). Le corps garde sa concentration constante dans le sang en s'adaptant à une consommation très variable de sel. Pour ceci, il module son excrétion soit directement, soit en sécrétant des hormones régulatrices. Le rein joue un rôle principal dans cette régulation puisque l'excrétion urinaire de sel change selon la diète et peut aller d'une quantité dérisoire à plus de 36 grammes par jour. L'attention qu'on prête au sel est liée à sa relation avec l'hypertension essentielle. Ainsi, le contrôle rénal de l'excrétion de sodium et d'eau est le principal mécanisme dans la régulation de la pression sanguine, et une ingestion excessive de sel pourrait être l'un des facteurs-clé déclenchant l'apparition d'un phénotype hypertensif. L'hormone aldosterone diminue l'excrétion de sodium par le rein en modulant l'expression de gènes qui pourraient être impliqués dans la sensibilité au sel. Dans une lignée cellulaire de rein l'expression du gène TSC22D3, qui se traduit en la protéine Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ), est fortement induite par l'aldosterone. Ceci suggère que GILZ est un médiateur potentiel de l'effet de l'aldosterone, et pourrait être impliqué dans la sensibilité au sel. Pour analyser la fonction de GILZ dans le rein plusieurs approches ont été utilisées. Par exemple, une souris dans laquelle GILZ est spécifiquement inactivé dans le rein est en train d'être produite et permettra l'étude du rôle de GILZ dans l'organisme. De plus, on a montré que GILZ, en conditions basales, n'a pas d'effet direct sur la protéine transportant le sodium à travers la membrane des cellules, le canal sodique épithélial ENaC. On a aussi essayé de trouver des protéines qui interagissent directement avec GILZ utilisant une technique appelée du « double-hybride dans la levure », mais aucun candidat n'a émergé. Des études ont montré que, à de hautes concentrations, l'insuline peut aussi diminuer l'excrétion de sodium. A ces concentrations, elle peut activer son récepteur spécifique, mais aussi le récepteur d'une autre hormone, l'Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1). En plus, l'infusion d'IGF-1 augmente la rétention rénale de sodium et d'eau, et des mutations du gène codant pour l'IGF-1 sont liées aux différents niveaux de pression sanguine. On a utilisé une nouvelle lignée cellulaire de rein développée dans notre laboratoire, appelée mCCDc11, pour analyser l'importance relative des deux hormones dans l'induction du transport de sodium. On a montré que les deux hormones induisent une augmentation significative du transport de sodium par l'activation de récepteurs à l'IGF-1 et non du récepteur à l'insuline. On a montré qu'à l'intérieur de la cellule leur activation induit une augmentation du transport sodique par le biais du canal ENaC en modifiant la quantité de phosphates fixés sur la protéine Serumand Glucocorticoid-induced Kinase 1 (Sgk1). On a finalement montré que l'IGF-1 et l'aldosterone ont un effet additif sur le transport de sodium en agissant toutes les deux sur Sgk1, qui intègre leurs effets dans le contrôle du transport de sodium dans le rein.

ERK1/2 controls Na,K-ATPase activity and transepithelial sodium transport in the principal cell of the cortical collecting duct of the mouse kidney.

The collecting duct of normal kidney exhibits significant activity of the MEK1/2-ERK1/2 pathway as shown in vivo by immunostaining of phosphorylated active ERK1/2 (pERK1/2). The MEK1/2-ERK1/2 pathway controls many different ion transports both in proximal and distal nephron, raising the question of whether this pathway is involved in the basal and/or hormone-dependent transepithelial sodium reabsorption in the principal cell of the cortical collecting duct (CCD), a process mediated by the apical epithelial sodium channel and the basolateral sodium pump (Na,K-ATPase). To answer this question we used ex vivo microdissected CCDs from normal mouse kidney or in vitro cultured mpkCCDcl4 principal cells. Significant basal levels of pERK1/2 were observed ex vivo and in vitro. Aldosterone and vasopressin, known to up-regulate sodium reabsorption in CCDs, did not change ERK1/2 activity either ex vivo or in vitro. Basal and aldosterone- or vasopressin-stimulated sodium transport was down-regulated by the MEK1/2 inhibitor PD98059, in parallel with a decrease in pERK1/2 in vitro. The activity of Na,K-ATPase but not that of epithelial sodium channel was inhibited by MEK1/2 inhibitors in both unstimulated and aldosterone- or vasopressin-stimulated CCDs in vitro. Cell surface biotinylation showed that intrinsic activity rather than cell surface expression of Na,K-ATPase was controlled by pERK1/2. PD98059 also significantly inhibited the activity of Na,K-ATPase ex vivo. Our data demonstrate that the ERK1/2 pathway controls Na,K-ATPase activity and transepithelial sodium transport in the principal cell and indicate that basal constitutive activity of the ERK1/2 pathway is a critical component of this control.