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.

Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces processus que nous nous sommes attachés dans ce travail. Les grandes variations observées dans les teneurs en fer et dans le rapport Fe3+/FeT des roches et des minéraux de ces complexes sont corrélées avec d'autres paramètres chimiques, tels que la composition isotopique de l'hydrogène dans les amphiboles. Nous avons dès lors abordé les questions suivantes: quelle est la relation entre la teneur en fer des amphiboles et leur composition isotopique? Que nous apprennent les changements de la teneur en fer et les changements dans le rapport Fe3+/FeT sur les processus pétrologiques dans ces roches? Pour répondre à ces questions, nous avons analysé les compositions isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène dans les amphiboles et d'autres silicates hydratés. La composition chimique et le rapport Fe3+/FeT des amphiboles ont également été déterminés. Des expériences hydrothermales simulant des conditions naturelles ont été entreprises afin de mieux comprendre les processus de fractionnement isotopiques dans ces systèmes très alcalins. Nos conclusions sont les suivantes: (1) Les valeurs extrêmement faibles ainsi que les larges variations des rapports isotopiques de l'hydrogène des amphiboles de ces complexes alcalins sont dues à une combinaison de facteurs tels que la forte alcalinité, la haute teneur en fer et la profondeur très faible de l'intrusion. (2) Ces valeurs sont probablement le résultat de processus magmatiques internes. (3) Il est peu probable que les eaux météoriques et/ou le dégazage magmatique aient joué un rôle lors de la formation de ces amphiboles. (4) Certaines corrélations, en accord avec les études précédentes, ont pu être trouvées au niveau des concentrations en fer. (5) Dans le cas du complexe d'Ilímaussaq exclusivement, une relation a été trouvée entre le rapport Fe3+/FeT et la composition isotopique de l'hydrogène des amphiboles.

Inhibition of Na(+)-K(+)-ATPase by digoxin and its relation with energy expenditure and nutrient oxidation rate.

This study investigates the effects of digoxin, an inhibitor of the Na+ pump (Na(+)-K(+)-ATPase), on resting metabolic rate (RMR), respiratory quotient (RQ), and nutrient oxidation rate. Twelve healthy male subjects followed a double-blind protocol design and received either 1 mg/day digoxin or a placebo 2 days before indirect calorimetry measurements. Digoxin induced a 0.22 +/- 0.07 kJ/min or 3.8 +/- 1.5% (mean +/- SE, P = 0.01) decrease in RMR and a 0.40 +/- 0.13 kJ/min (P = 0.01) decrease in fat oxidation rate, whereas carbohydrate and protein oxidation rates did not change significantly. A dose-response relationship between serum digoxin and RQ was observed. These results suggest that digoxin reduces not only RMR but also fat oxidation rate by mechanisms that remain to be elucidated. Because a linkage and an association between genes coding the Na(+)-K(+)-ATPase and the RQ have been previously observed, the present demonstration of an effect of Na(+)-K(+)-ATPase inhibition on fat oxidation rate strengthens the concept that the activity of this enzyme may play a role in body weight regulation.

Differential effects of sodium oxybate and baclofen on EEG, sleep, neurobehavioral performance, and memory.

STUDY OBJECTIVES: Sodium oxybate (SO) is a GABA(B) agonist used to treat the sleep disorder narcolepsy. SO was shown to increase slow wave sleep (SWS) and EEG delta power (0.75-4.5 Hz), both indexes of NREM sleep (NREMS) intensity and depth, suggesting that SO enhances recuperative function of NREM. We investigated whether SO induces physiological deep sleep. DESIGN: SO was administered before an afternoon nap or before the subsequent experimental night in 13 healthy volunteers. The effects of SO were compared to baclofen (BAC), another GABA(B) receptor agonist, to assess the role of GABA(B) receptors in the SO response. MEASUREMENTS AND RESULTS: As expected, a nap significantly decreased sleep need and intensity the subsequent night. Both drugs reversed this nap effect on the subsequent night by decreasing sleep latency and increasing total sleep time, SWS during the first NREMS episode, and EEG delta and theta (0.75-7.25 Hz) power during NREMS. The SO-induced increase in EEG delta and theta power was, however, not specific to NREMS and was also observed during REM sleep (REMS) and wakefulness. Moreover, the high levels of delta power during a nap following SO administration did not affect delta power the following night. SO and BAC taken before the nap did not improve subsequent psychomotor performance and subjective alertness, or memory consolidation. Finally, SO and BAC strongly promoted the appearance of sleep onset REM periods. CONCLUSIONS: The SO-induced EEG slow waves seem not to be functionally similar to physiological slow waves. Our findings also suggest a role for GABA(B) receptors in REMS generation. CITATION: Vienne J; Lecciso G; Constantinescu I; Schwartz S; Franken P; Heinzer R; Tafti M. Differential effects of sodium oxybate and baclofen on EEG, sleep, neurobehavioral performance, and memory. SLEEP 2012;35(8):1071-1084.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

Clinical pharmacology of atrial natriuretic (3-28) eicosahexapeptide.

The clinical pharmacology of a synthetic rat atrial natriuretic peptide (rANP) was evaluated in normal volunteers. During a dose-ranging study at 1-40 micrograms/min we observed a dose-dependent decrease in mean intra-arterial blood pressure, an acceleration of the heart rate and a transient increase in blood flow to the skin. During a 4-h constant-dose infusion at 0.5 and 5.0 micrograms/min, inulin clearance remained unchanged but there was a dose-related fall in paraaminohippurate (PAH) clearance and an increase in the filtration fraction. Urinary excretion of sodium, chloride and calcium increased in a dose-related fashion, but with the high dose the excretion curve had a bell-shape. No change in plasma renin activity, angiotensin II and aldosterone was observed during the rANP infusion despite the excretion of large amounts of sodium and a blood pressure reduction with the high dose. Indocyanine green clearance, a measure of hepatic blood flow, was significantly decreased by a 2-h rANP infusion at 1.0 microgram/min. In normal volunteers, therefore, rANP induced vasodilation and blood pressure reduction, a decrease in renal and hepatic blood flow and a natriuretic and transient diuretic effect without activation of the renin-angiotensin-aldosterone system.

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.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

ENaC-mediated alveolar fluid clearance and lung fluid balance depend on the channel-activating protease 1.

Sodium transport via epithelial sodium channels (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells (AEC) provides the driving force for removal of fluid from the alveolar space. The membrane-bound channel-activating protease 1 (CAP1/Prss8) activates ENaC in vitro in various expression systems. To study the role of CAP1/Prss8 in alveolar sodium transport and lung fluid balance in vivo, we generated mice lacking CAP1/Prss8 in the alveolar epithelium using conditional Cre-loxP-mediated recombination. Deficiency of CAP1/Prss8 in AEC induced in vitro a 40% decrease in ENaC-mediated sodium currents. Sodium-driven alveolar fluid clearance (AFC) was reduced in CAP1/Prss8-deficient mice, due to a 48% decrease in amiloride-sensitive clearance, and was less sensitive to beta(2)-agonist treatment. Intra-alveolar treatment with neutrophil elastase, a soluble serine protease activating ENaC at the cell surface, fully restored basal AFC and the stimulation by beta(2)-agonists. Finally, acute volume-overload increased alveolar lining fluid volume in CAP1/Prss8-deficient mice. This study reveals that CAP1 plays a crucial role in the regulation of ENaC-mediated alveolar sodium and water transport and in mouse lung fluid balance.

Structural organization of alpha-subunit from purified and microsomal toad kidney (Na+ + K+)-ATPase as assessed by controlled trypsinolysis

The membrane organization of the alpha-subunit of purified (Na+ + K+)-ATPase ((Na+ + K+)-dependent adenosine triphosphate phosphorylase, EC 3.6.1.3) and of the microsomal enzyme of the kidney of the toad Bufo marinus was compared by using controlled trypsinolysis. With both enzyme preparations, digestions performed in the presence of Na+ yielded a 73 kDa fragment and in the presence of K+ a 56 kDa, a 40 kDa and small amounts of a 83 kDa fragment from the 96 kDa alpha-subunit. In contrast to mammalian preparations (Jørgensen, P.L. (1975) Biochim. Biophys. Acta 401, 399-415), trypsinolysis of the purified amphibian enzyme led to a biphasic loss of (Na+ + K+)-ATPase activity in the presence of both Na+ and K+. These data could be correlated with an early rapid cleavage of 3 kDa from the alpha-subunit in both ionic conditions and a slower degradation of the remaining 93 kDa polypeptide. On the other hand, in the microsomal enzyme, a 3 kDa shift of the alpha-subunit could only be produced in the presence of Na+. Our data indicate that (1) purification of the amphibian enzyme with detergent does not influence the overall topology of the alpha-subunit but produces a distinct structural alteration of its N-terminus and (2) the amphibian kidney enzyme responds to cations with similar conformational transitions as the mammalian kidney enzyme. In addition, anti alpha-serum used on digested enzyme samples revealed on immunoblots that the 40 kDa fragment was better recognized than the 56 kDa fragment. It is concluded that the NH2-terminal of the alpha-subunit contains more antigenic sites than the COOH-terminal domain in agreement with the results of Farley et al. (Farley, R.A., Ochoa, G.T. and Kudrow, A. (1986) Am. J. Physiol. 250, C896-C906).

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.