The fourth extracellular loop of the alpha subunit of Na,K-ATPase. Functional evidence for close proximity with the second extracellular loop.

Na,K-ATPase is the main active transport system that maintains the large gradients of Na(+) and K(+) across the plasma membrane of animal cells. The crystal structure of a K(+)-occluding conformation of this protein has been recently published, but the movements of its different domains allowing for the cation pumping mechanism are not yet known. The structure of many more conformations is known for the related calcium ATPase SERCA, but the reliability of homology modeling is poor for several domains with low sequence identity, in particular the extracellular loops. To better define the structure of the large fourth extracellular loop between the seventh and eighth transmembrane segments of the alpha subunit, we have studied the formation of a disulfide bond between pairs of cysteine residues introduced by site-directed mutagenesis in the second and the fourth extracellular loop. We found a specific pair of cysteine positions (Y308C and D884C) for which extracellular treatment with an oxidizing agent inhibited the Na,K pump function, which could be rapidly restored by a reducing agent. The formation of the disulfide bond occurred preferentially under the E2-P conformation of Na,K-ATPase, in the absence of extracellular cations. Using recently published crystal structure and a distance constraint reproducing the existence of disulfide bond, we performed an extensive conformational space search using simulated annealing and showed that the Tyr(308) and Asp(884) residues can be in close proximity, and simultaneously, the SYGQ motif of the fourth extracellular loop, known to interact with the extracellular domain of the beta subunit, can be exposed to the exterior of the protein and can easily interact with the beta subunit.

Access of extracellular cations to their binding sites in Na,K-ATPase: role of the second extracellular loop of the alpha subunit.

Na,K-ATPase, the main active transport system for monovalent cations in animal cells, is responsible for maintaining Na(+) and K(+) gradients across the plasma membrane. During its transport cycle it binds three cytoplasmic Na(+) ions and releases them on the extracellular side of the membrane, and then binds two extracellular K(+) ions and releases them into the cytoplasm. The fourth, fifth, and sixth transmembrane helices of the alpha subunit of Na,K-ATPase are known to be involved in Na(+) and K(+) binding sites, but the gating mechanisms that control the access of these ions to their binding sites are not yet fully understood. We have focused on the second extracellular loop linking transmembrane segments 3 and 4 and attempted to determine its role in gating. We replaced 13 residues of this loop in the rat alpha1 subunit, from E314 to G326, by cysteine, and then studied the function of these mutants using electrophysiological techniques. We analyzed the results using a structural model obtained by homology with SERCA, and ab initio calculations for the second extracellular loop. Four mutants were markedly modified by the sulfhydryl reagent MTSET, and we investigated them in detail. The substituted cysteines were more readily accessible to MTSET in the E1 conformation for the Y315C, W317C, and I322C mutants. Mutations or derivatization of the substituted cysteines in the second extracellular loop resulted in major increases in the apparent affinity for extracellular K(+), and this was associated with a reduction in the maximum activity. The changes produced by the E314C mutation were reversed by MTSET treatment. In the W317C and I322C mutants, MTSET also induced a moderate shift of the E1/E2 equilibrium towards the E1(Na) conformation under Na/Na exchange conditions. These findings indicate that the second extracellular loop must be functionally linked to the gating mechanism that controls the access of K(+) to its binding site.

Effect of roscovitine on intracellular calcium dynamics: differential enantioselective responses.

Cyclin-dependent kinases (CDKs) inhibitors have emerged as interesting therapeutic candidates. Of these, (S)-roscovitine has been proposed as potential neuroprotective molecule for stroke while (R)-roscovitine is currently entering phase II clinical trials against cancers and phase I clinical tests against glomerulonephritis. In addition, (R)-roscovitine has been suggested as potential antihypertensive and anti-inflammatory drug. Dysfunction of intracellular calcium balance is a common denominator of these diseases, and the two roscovitine enantiomers (S and R) are known to modulate calcium voltage channel activity differentially. Here, we provide a detailed description of short- and long-term responses of roscovitine on intracellular calcium handling in renal epithelial cells. Short-term exposure to (S)-roscovitine induced a cytosolic calcium peak, which was abolished after stores depletion with cyclopiazonic acid (CPA). Instead, (R)-roscovitine caused a calcium peak followed by a small calcium plateau. Cytosolic calcium response was prevented after stores depletion. Bafilomycin, a selective vacuolar H(+)-ATPase inhibitor, abolished the small calcium plateau. Long-term exposure to (R)-roscovitine significantly reduced the basal calcium level compared to control and (S)-roscovitine treated cells. However, both enantiomers increased calcium accumulation in the endoplasmic reticulum (ER). Consistently, cells treated with (R)-roscovitine showed a significant increase in SERCA activity, whereas (S)-roscovitine incubation resulted in a reduced PMCA expression. We also found a tonic decreased ability to release calcium from the ER, likely via IP3 signaling, under treatment with (S)- or (R)-roscovitine. Together our data revealed that (S)-roscovitine and (R)-roscovitine exert distinct enantiospecific effects on intracellular calcium signaling in renal epithelial cells. This distinct pharmacological profile can be relevant for roscovitine clinical use.

Mécanisme moléculaire de protection des HDLs contre le stress du réticulum endoplasmique dans la cellule beta pancréatique. [Molecular mechanisms of HDLs to protect against the endoplasmic reticulum stress in pancreatic beta cell.]

Introduction: Les particules de HDL (High Density Lipoproteins) ont des fonctions très diverses notamment anti-inflamatoires, anti-apoptotiques ou anti-oxydatives. Chez les patients diabétiques, les niveaux de HDLs sont bas, les prédisposants ainsi à un risque élévé à développer une maladie cardiovasculaire. Sachant que le s HDLs ont également un effet protecteur sur la cellule beta, le but de cette étude est dinvestigué les mécanismes moléculaires de cette protection contre le stress du réticulum, stress qui contriubue au développement du diabéte de type 2. Résultats: La thapsigargine et la tunicamycine induisent lapoptose en induisant un stress dans le réticulum endoplasmique (RE) par un mauvais repliement des protéines dans le RE, ainsi que l'activation de l'UPR (Unfolded Protein Respons) avec trois voies communes de signalisation intracellulaire (IRE1, PREK et ATF6). Ces voix veillent tout d'abord à augmenter la capacité de repliement des protéines et le cas échéant à lapoptose. Nos résultats montrent que les HDLs sont capable d'inhuber lapoptose induite par la thapsigargine et la tunicamycine dans les MIN6. Dans le cas du traitement avec la thapsigargine, plusieurs marqueurs des voix UPR sont bloqués en présence des HDLs, suggérant que l'effet anti-apoptotiques des HDLs s'exerce au niveau ou en amont du RE. Les HDLS par contre ne bloquent par la sortie de calcium du RE induite par la thapsigargine ce qui indique que les HDLs n'interfèrent pas avec l'action de cette drogue sur sa cible (SERCA). Dans le cas de la la tunicamycine, les HDLs ne bloquent pas, ou très légèrement, l'activation des voix de l'UPR. La protection induite par les HDLs contre la mort engendrée par la tunicamycine s'sexerce dont apparement en aval de l'UPR et reste à être déterminer. Conclusions: Nos données suggérent que les HDLs sont capable de protéger la cellule beta contre le stress du réticulum mais apparement de façon différente selon les modalités d'inductions de ce stress.

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.