Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

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.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

Inhibition of voltage-gated Na(+) currents in sensory neurones by the sea anemone toxin APETx2.

BACKGROUND AND PURPOSE: APETx2, a toxin from the sea anemone Anthropleura elegantissima, inhibits acid-sensing ion channel 3 (ASIC3)-containing homo- and heterotrimeric channels with IC(50) values < 100 nM and 0.1-2 µM respectively. ASIC3 channels mediate acute acid-induced and inflammatory pain response and APETx2 has been used as a selective pharmacological tool in animal studies. Toxins from sea anemones also modulate voltage-gated Na(+) channel (Na(v) ) function. Here we tested the effects of APETx2 on Na(v) function in sensory neurones.¦EXPERIMENTAL APPROACH: Effects of APETx2 on Na(v) function were studied in rat dorsal root ganglion (DRG) neurones by whole-cell patch clamp.¦KEY RESULTS: APETx2 inhibited the tetrodotoxin (TTX)-resistant Na(v) 1.8 currents of DRG neurones (IC(50) , 2.6 µM). TTX-sensitive currents were less inhibited. The inhibition of Na(v) 1.8 currents was due to a rightward shift in the voltage dependence of activation and a reduction of the maximal macroscopic conductance. The inhibition of Na(v) 1.8 currents by APETx2 was confirmed with cloned channels expressed in Xenopus oocytes. In current-clamp experiments in DRG neurones, the number of action potentials induced by injection of a current ramp was reduced by APETx2.¦CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: APETx2 inhibited Na(v) 1.8 channels, in addition to ASIC3 channels, at concentrations used in in vivo studies. The limited specificity of this toxin should be taken into account when using APETx2 as a pharmacological tool. Its dual action will be an advantage for the use of APETx2 or its derivatives as analgesic drugs.

Extracellular Subunit Interactions Control Transitions between Functional States of Acid-sensing Ion Channel 1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal, voltage-independent Na(+) channels that are transiently activated by extracellular acidification. They are involved in pain sensation, the expression of fear, and in neurodegeneration after ischemic stroke. Our study investigates the role of extracellular subunit interactions in ASIC1a function. We identified two regions involved in critical intersubunit interactions. First, formation of an engineered disulfide bond between the palm and thumb domains leads to partial channel closure. Second, linking Glu-235 of a finger loop to either one of two different residues of the knuckle of a neighboring subunit opens the channel at physiological pH or disrupts its activity. This suggests that one finger-knuckle disulfide bond (E235C/K393C) sets the channel in an open state, whereas the other (E235C/Y389C) switches the channel to a non-conducting state. Voltage-clamp fluorometry experiments indicate that both the finger loop and the knuckle move away from the β-ball residue Trp-233 during acidification and subsequent desensitization. Together, these observations reveal that ASIC1a opening is accompanied by a distance increase between adjacent thumb and palm domains as well as a movement of Glu-235 relative to the knuckle helix. Our study identifies subunit interactions in the extracellular loop and shows that dynamic changes of these interactions are critical for normal ASIC function.

Effect of rufinamide on gating properties of voltage-gated sodium channel Na(v)1.7

Background: Voltage-gated sodium channels (Nav1.x) are important players in chronic pain. A particular interest has grown in Nav1.7, expressed in nociceptors, since mutations in its gene are associated to two inherited pain syndromes or insensitivity to pain. Rufinamide, a drug used to treat refractory epilepsy such as the Lennox-Gastaut syndrome, has been shown to reduce the number of action potentials in cortical neurons without completely blocking Na channels. Aim: The goal of this study was to investigate the effect of rufinamide on Nav1.7 current. Methods and results: Whole-cell patch clamp experiments were performed using HEK293 cells stably expressing Nav1.7. Rufinamide significantly decreased peak sodium current by 28.3, 21.2 and 12.5% at concentrations of 500, 100 and 50μM respectively (precise EC50 could not be calculated since higher rufinamide concentrations could not be achieved in physiological buffer solution). No significant difference on the V1/2 of voltage-dependence of activation was seen; however a shift in the steady-state inactivation curve was observed (-82.6 mV to -88.8 mV and -81.8 to -87.6 mV for 50 and 100 μM rufinamide respectively, p <0.005). Frequency-dependent inhibition of Nav1.7 was also influenced by the drug. One hundred μM rufinamide reduced the peak sodium current (in % of the peak current taken at the first sweep of a train of 50) from 90.8 to 80.8% (5Hz), 88.7 to 71.8% (10 Hz), 69.1 to 49.2% (25 Hz) and 22.3 to 9.8% (50 Hz) (all p <0.05). Onset of fast inactivation was not influenced by the drug since no difference in the time constant of current decay was observed. Conclusion: In the concentration range of plasma level in human treated for epilepsy, 15 μM, rufinamide only minimally blocks Nav1.7. However, it stabilizes the inactivated state and exerts frequencydependent inhibition of Nav1.7. These pharmacological properties may be of use in reducing ectopic discharges as a causal and symptom related contributor of neuropathic pain syndrome.

A Survey of Active Learning Algorithms for Supervised Remote Sensing Image Classification

Defining an efficient training set is one of the most delicate phases for the success of remote sensing image classification routines. The complexity of the problem, the limited temporal and financial resources, as well as the high intraclass variance can make an algorithm fail if it is trained with a suboptimal dataset. Active learning aims at building efficient training sets by iteratively improving the model performance through sampling. A user-defined heuristic ranks the unlabeled pixels according to a function of the uncertainty of their class membership and then the user is asked to provide labels for the most uncertain pixels. This paper reviews and tests the main families of active learning algorithms: committee, large margin, and posterior probability-based. For each of them, the most recent advances in the remote sensing community are discussed and some heuristics are detailed and tested. Several challenging remote sensing scenarios are considered, including very high spatial resolution and hyperspectral image classification. Finally, guidelines for choosing the good architecture are provided for new and/or unexperienced user.

Regulation of the voltage-gated sodium channel Nav1.7 by ubiquitin ligase Nedd4-2

Background and aim: Neuropathic pain (NP) is a frequent and disabling disorder occurring as a consequence of a direct lesion of the nervous system and recurrently associated with a positive shift toward nervous system excitability. Peripheral nerve activity is mainly carried by voltage-gated sodium channels (VGSC), with Nav1.7 isoform being an important candidate since loss of function mutations of its gene is associated with congenital inability to experience pain. Interestingly, ubiquitin ligases from the Nedd4 family are well known proteins that regulate the turnover of many membrane proteins such as VGSC and we showed Nedd2-2 is downregualted in experimental models of chronic pain. The aim of this study was to investigate the importance of Nedd4-2 in the modulation of Nav1.7 at the membrane. Methods: In vitro: whole cell patch clamp on HEK293 cell line stably expressing Nav1.7 was used to record sodium currents (INa), where the peak current of INa reflects the quantity of functional Nav1.7 expressed at the membrane. The possibility that Nedd4-2 modulates the currents was assessed by investigating the effect of its cotransfection on INa. Biotinylation of cell surface was used to isolate membrane-targeted Nav1.7. Furthermore, as the interaction between Nedd4-2 and Nav isoforms was previously reported to rely on an xPPxYx sequence (PY-motif), we mutated this latter to study its impact in the specific interaction between Nav1.7 and Nedd4-2. GST-fusion proteins composed of the Nav1.7 c terminal 66 amino acids (wild-type or PY mutated) and GST were used to pull-down Nedd4-2 from lysates. Results: Co-transfection of Nav1.7 with Nedd4-2 reduced the Nav1.7 current amplitude by ~80% (n = 36, p <0.001), without modifying the biophysical properties of INa. In addition, we show that the quantity of Nav1.7 at the membrane was decreased when Nedd4-2 was present. This effect was dependent on the PY-motif since mutations in this sequence abolished the down-regulatory effect of Nedd4-2. The importance of this motif was further confirmed by pull down experiments since the PY mutant completely eliminate the interaction with Nedd4-2. Perspectives: Altogether, these results point to the importance of Nedd4-2 as a Nav1.7 regulator through cell surface modulation of this sodium channel. Further experiments in freshly dissociated neurons from wild type and Scn1bflox/Nedd4-2Cre mice are needed to confirm in vivo these preliminary data.

Structured output SVM for remote sensing image classification

In the recent years, kernel methods have revealed very powerful tools in many application domains in general and in remote sensing image classification in particular. The special characteristics of remote sensing images (high dimension, few labeled samples and different noise sources) are efficiently dealt with kernel machines. In this paper, we propose the use of structured output learning to improve remote sensing image classification based on kernels. Structured output learning is concerned with the design of machine learning algorithms that not only implement input-output mapping, but also take into account the relations between output labels, thus generalizing unstructured kernel methods. We analyze the framework and introduce it to the remote sensing community. Output similarity is here encoded into SVM classifiers by modifying the model loss function and the kernel function either independently or jointly. Experiments on a very high resolution (VHR) image classification problem shows promising results and opens a wide field of research with structured output kernel methods.

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.