Epithelial Na+ channel mutants causing Liddle's syndrome retain ability to respond to aldosterone and vasopressin.

Liddle's syndrome is a monogenic form of hypertension caused by mutations in the PY motif of the COOH terminus of beta- and gamma-epithelial Na+ channel (ENaC) subunits. These mutations lead to retention of active channels at the cell surface. Because of the critical role of this PY motif in the stability of ENaCs at the cell surface, we have investigated its contribution to the ENaC response to aldosterone and vasopressin. Mutants of the PY motif in beta- and gamma-ENaC subunits (beta-Y618A, beta-P616L, beta-R564stop, and gamma-K570stop) were stably expressed by retroviral gene transfer in a renal cortical collecting duct cell line (mpkCCDcl4), and transepithelial Na+ transport was assessed by measurements of the benzamil-sensitive short-circuit current (Isc). Cells that express ENaC mutants of the PY motif showed a five- to sixfold higher basal Isc compared with control cells and responded to stimulation by aldosterone (10(-6) M) or vasopressin (10(-9) M) with a further increase in Isc. The rates of the initial increases in Isc after aldosterone or vasopressin stimulation were comparable in cells transduced with wild-type and mutant ENaCs, but reversal of the effects of aldosterone and vasopressin was slower in cells that expressed the ENaC mutants. The conserved sensitivity of ENaC mutants to stimulation by aldosterone and vasopressin together with the prolonged activity at the cell surface likely contribute to the increased Na+ absorption in the distal nephron of patients with Liddle's syndrome.

ASIC1a oligomerization structure-function of its extracellular vestibule and functional characterization of αS243Pβɣ ENaC

Quatre cristaux du canal ASIC1a ont été publiés et soutiennent une stoechiométrie trimérique. Cependant, ces données contredisant de précédentes analyses fonctionnelles effectuées sur des canaux de la même famille, notre intérêt fut porté sur l'oligomérisation d'ASIC1a. Dans ce sens, un nouvel essai couplant la méthode d'analyse par substitution de cystéines (SCAM) avec l'utilisation de réactifs sulfhydryls bifonctionnels (crosslinkers) a été mis en place. Le but étant de stabiliser, puis sélectionner les canaux fonctionnels, pour ensuite les séparer selon leur taille par SDS-PAGE. Grâce à cette technique, nous avons démontré que le complexe stabilisé a une taille coïncidant avec une organisation tétramérique. En plus de son oligomérisation, le chemin emprunté par les ions pour traverser le canal n'est pas clairement défini dans ces structures. De ce fait, utilisant une approche électrophysiologique, nous avons étudié le lien entre la structure et la fonction du vestibule extracellulaire d'ASIC1a. Dans ce but, nous nous sommes intéressés l'accessibilité de cystéines spécifiques localisées dans ce vestibule pour des réactifs méthanethiosulfonates (MTS). Ainsi, nous avons pu corréler les cinétiques de modification de ces cystéines par les MTS avec les effets sur le courant sodique, et donc avoir des informations supplémentaires sur la voie empruntée par les ions. De plus, la simulation informatique de liaison de ces réactifs illustre le remplissage total de ce vestibule. Fonctionnellement, cette interaction ne perturbe pas le passage de ions, c'est pourquoi il nous apparaît probable que le vestibule présente une taille plus large que celle illustrée par les cristaux. Dans un deuxième temps, notre intérêt fut porté sur ENaC. Ce canal est composé des trois sous-unités (a, ß et y) et est exprimé dans divers épithéliums, dont les tubules des reins. Il participe à l'homéostasie sodique et est essentiellement régulé par voie hormonale via l'aldostérone et la Vasopressine, mais également par des sérines protéases ou le Na+. Nous avons étudié la répercussion fonctionnelle de la mutation aS243P, découverte chez un nouveau-né prématuré atteint de pseudohypoaldostéronisme de type 1. Cette maladie autosomale récessive se caractérise, généralement, par une hyponatrémie liée à d'importantes pertes de sel dans les urines, une hyperkaliémie, ainsi qu'un niveau élevé d'aldostérone. Tout d'abord aucune des expériences biochimiques et électrophysiologiques n'a pu démontrer un défaut d'expression ou une forte diminution de l'activité soutenant les données cliniques. Cependant, en challengeant aS243PßyENaC avec une forte concentration de Na+ externe, une hypersensibilité de canal fut observée. En effet, ni les phénomènes régulateurs de « feedback inhibition » ou de « Na+ self-inhibition » n'étaient semblables au canal sauvage. De ce fait, ils apparaissaient exacerbés en présence de la mutation, amenant ainsi à une diminution de la réabsorption de Na+. Ceci corrobore entièrement l'hyponatrémie diagnostiquée. Le rein d'un prématuré étant immature, la quantité de Na+ atteignant la partie distale du néphron est plus élevée, du fait que les autres mécanismes de réabsorption en amont ne sont probablement pas encore en place. Cette hypothèse est renforcée par l'existence d'un frère présentant la même mutation, mais qui, né à terme, ne présentait aucun signe d'hyponatrémie. - The main topic of my thesis is the structure-function relationship of the ENaC/Deg family of ion channels, namely the Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a and the Epithelial Na Channel ENaC. The primary part of this research is dedicated to the structure of ASIC1a. Four channel crystals have been published, which support a trimeric stoichiometry, although these data contradict previous functional experiments on other ENaC/Deg members. We are therefore interested in ASIC1a oligomerization and have set up a new assay combining the Substituted- Cysteine Accessibility Method (SCAM) with Afunctional sulfhydryl reagents (crosslinkers) allowing its study. The aim was to first stabilize the channels, then select those that are functional and then resolve them according to their size on SDS-PAGE. We demonstrated that the stabilized complex has a molecular weight corresponding to a tetrameric stoichiometry. In addition to our interest in the oligomerization of the ENaC/Deg family of ion channels, we also wanted to investigate the thus far undefined way of permeation for these channels. Therefore, taking the advantage of a more electrophysiological approach, we studied the accessibility of specific cysteines for methanethiosulfonate reagents (MTS) and were able to correlate the MTS association kinetics on cysteine residues with Na+ currents. These results have given us an insight into ion permeation and our functional evidence indicates that the extracellular is larger than that depicted by the crystal structures. As a side project, we focused on ENaC, which is made up of three subunits (a, ß and y) and is expressed in various epithelia, especially in the distal nephron of the kidneys. It plays a role in Na+ homeostasis and is essentially regulated by hormones via aldosterone and vasopressin, but also by serine proteases or Na+. We have studied the functional impact of the aS243P mutation, discovered in a premature baby suffering from pseudohypoaldosteronism of type 1. This autosomal recessive disease is characterized by hyponatremia, hyperkalemia and high aldosterone levels. Firstly, neither biochemical nor electrophysiological experiments indicated an expression defect or a strong decrease in activity. However, challenging aS243PßyENaC with increased external Na+ concentration showed channel hypersensitivity. Indeed, both the "feedback inhibition" and the "Na+ self-inhibition" regulatory mechanisms are impaired, leading to a decrease in Na+ reabsorption, entirely supports the diagnosis. The kidneys in preterm infants are immature and Na+ levels reaching the distal nephron are higher than normally observed. We hypothesize that the upstream reabsorption machinery is unlikely to be sufficiently matured and this assumption is supported by an asymptomatic sibling carrying the same mutation, but born at term. - La cellule, unité fonctionnelle du corps humain, est délimitée par une membrane plasmique servant de barrière biologique entre les milieux intra et extracellulaires. Une communication entre cellules est indispensable pour un fonctionnement adéquat. Sa survie dépend, entre autres, du maintien de la teneur en ions dans chacun des milieux qui doivent pouvoir être réabsorbés, ou sécrétés, selon les besoins. Les protéines insérées dans la membrane forment un canal et sont un moyen de communication permettant spécifiquement à des ions tel que le sodium (Na+) de traverser. Le Na+ se trouve dans la plupart des aliments et le sel, et est spécifiquement réabsorbé au niveau des reins grâce au canal sodique épithélial ENaC. Cette réabsorption se fait de l'urine primaire vers l'intérieur de la cellule, puis est transporté vers le sang. Pour maintenir un équilibre, une régulation de ce canal est nécessaire. En effet, des dysfonctionnements impliquant la régulation ou l'activité d'ENaC lui-même sont à l'origine de maladies telles que la mucoviscidose, l'hypertension ou encore, le pseudohypoaldostéronisme (PHA). Cette maladie est caractérisée, notamment, par d'importantes pertes de sel dans les urines. Des pédiatres ont diagnostiqué un PHA chez un nouveau-né, ce dernier présentant une modification du canal ENaC, nous avons recréé cette protéine afin d'étudier l'impact de ce changement sur son activité. Nous avons démontré que la régulation d'ENaC était effectivement perturbée, conduisant ainsi à une forte réduction de la réabsorption sodique. Afin de développer des molécules capables de moduler l'activité de protéines. Il est nécessaire d'en connaître la structure. Celle du canal sodique sensible à l'acidification ASIC1, un canal cousin d'ENaC, est connue. Ces données structurales contredisant cependant les analyses fonctionnelles, nous nous sommes penchés une nouvelle fois sur ASIC1. Une protéine est une macromolécule biologique composée d'une chaîne d'acides aminés (aa). De l'enchaînement d'aa à la protéine fonctionnelle, quatre niveaux de structuration existent. Chaque aa donne une indication quant au repliement et plus particulièrement la cystéine. Arborant un groupe sulfhydryle (SH) capable de former une liaison spécifique et stable avec un autre SH, celle-ci est souvent impliquée dans la structure tridimensionnelle de la protéine. Ce type de liaison intervient également dans la stabilisation de la structure quaternaire, qui est l'association de plusieurs protéines identiques (homomère), ou pas (hétéromère). Dans cette partie, nous avons remplacé des aa par des cystéines à des endroits spécifiques. Le but était de stabiliser plusieurs homomères d'ASICl ensemble avec des réactifs créant des ponts entre deux SH. Ainsi, nous avons pu déterminer le nombre de protéines ASIC1 participant à la formation d'un canal fonctionnel. Nos résultats corroborent les données fonctionnelles soutenant un canal tétramérique. Nous avons également étudié l'accessibilité de ces nouvelles cystéines afin d'obtenir des informations supplémentaires sur la structure du chemin emprunté par le Na+ à travers ASIC1 et plus particulièrement du vestibule extracellulaire.

Dysfunction of epithelial sodium transport: from human to mouse.

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) is an apical membrane constituent of cells of many salt-absorbing epithelia. In the kidney, the functional relevance of ENaC expression has been well established. ENaC mediates the aldosterone-dependent sodium reabsorption in the distal nephron and is involved in the regulation of blood pressure. Mutations in genes encoding ENaC subunits are causative for two human inherited diseases: Liddle's syndrome, a severe form of hypertension associated with ENaC hyperfunction, and pseudohypoaldosteronism (PHA-1), a salt-wasting syndrome caused by decreased ENaC function. Transgenic mouse technologies provide a useful tool to study the role of ENaC in vivo. Different mouse lines have been established in which each of the ENaC subunits was affected. The phenotypes observed in these mice demonstrated that each subunit is essential for survival and for regulation of sodium transport in kidney and colon. Moreover, the alpha subunit plays a specific role in the control of fluid absorption in the airways at birth. Such mice can now be used to study the role of ENaC in various organs and can serve as models to understand the pathophysiology of these human diseases.

Renal sodium handling in acute and chronic salt loading/depletion protocols: the confounding influence of acute water loading.

OBJECTIVES: Renal tubular sodium handling was measured in healthy subjects submitted to acute and chronic salt-repletion/salt-depletion protocols. The goal was to compare the changes in proximal and distal sodium handling induced by the two procedures using the lithium clearance technique. METHODS: In nine subjects, acute salt loading was obtained with a 2 h infusion of isotonic saline, and salt depletion was induced with a low-salt diet and furosemide. In the chronic protocol, 15 subjects randomly received a low-, a regular- and a high-sodium diet for 1 week. In both protocols, renal and systemic haemodynamics and urinary electrolyte excretion were measured after an acute water load. In the chronic study, sodium handling was also determined, based on 12 h day- and night-time urine collections. RESULTS: The acute and chronic protocols induced comparable changes in sodium excretion, renal haemodynamics and hormonal responses. Yet, the relative contribution of the proximal and distal nephrons to sodium excretion in response to salt loading and depletion differed in the two protocols. Acutely, subjects appeared to regulate sodium balance mainly by the distal nephron, with little contribution of the proximal tubule. In contrast, in the chronic protocol, changes in sodium reabsorption could be measured both in the proximal and distal nephrons. Acute water loading was an important confounding factor which increased sodium excretion by reducing proximal sodium reabsorption. This interference of water was particularly marked in salt-depleted subjects. CONCLUSION: Acute and chronic salt loading/salt depletion protocols investigate different renal mechanisms of control of sodium balance. The endogenous lithium clearance technique is a reliable method to assess proximal sodium reabsorption in humans. However, to investigate sodium handling in diseases such as hypertension, lithium should be measured preferably on 24 h or overnight urine collections to avoid the confounding influence of water.

Regulation of the NaCI cotransporter by the SGK1-Nedd4-2 pathway

SummaryRegulation of renal Na+ transport is essential for controlling blood pressure, as well as Na+ and K+ homeostasis. Aldosterone stimulates Na+ reabsorption in the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), via the Na+-CI" cotransporter (NCC) in the distal convoluted tubule (DCT), and the epithelial Na+ channel (ENaC) in the late DCT, connecting tubule and collecting duct. Importantly, aldosterone increases NCC protein expression by an unknown post-translational mechanism. The ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 is expressed along the ASDN and regulates ENaC: under aldosterone induction, the serum/glucocorticoid-regulated kinase SGK1 phosphorylates Nedd4-2 on S328, thus preventing the Nedd4-2/ENaC interaction, ubiquitylation and degradation of the channel. Here, we present evidence that Nedd4-2 regulates NCC. In transfected HEK293 cells, Nedd4-2 co-immunoprecipitates with NCC and stimulates NCC ubiquitylation at the cell surface. In Xenopus laevis oocytes, co- expression of NCC with wild-type Nedd4-2, but not its catalytically inactive mutant, strongly decreases NCC activity and surface expression. This inhibition is prevented by SGK1 in a kinase-dependent manner. Moreover, we show that NCC expression is up-regulated in inducible renal tubule-specific Nedd4-2 knockout mice and in mDCT15 cells silenced for Nedd4-2. On the other hand, in inducible renal tubule-specific SGK1 knockout mice, NCC expression is down-regulated.Interestingly, in contrast to ENaC, Nedd4-2-mediated NCC inhibition is independent of a PY motif in NCC. Moreover, whereas single mutations of Nedd4-2 S328 or S222 to alanine do not interfere with SGK1 action, the double mutation enhances Nedd4-2 activity and abolishes SGK1-dependent inhibition. These results indicate that NCC expression and activity is controlled by a regulatory pathway involving SGK1 and Nedd4-2, and provides an explanation for the well-known aldosterone-induced increase in NCC protein expression.RésuméLa régulation du transport de sodium est cruciale dans le maintien de la pression artérielle. L'aldostérone stimule la réabsorption de Na+ dans la partie du néphron sensible à l'aldostérone (ASDN), via le co-transporteur Na+-CI" (NCC) au niveau du tubule contourné distale et via le canal à sodium (Epithelial Na+ Channel ; ENaC) dans la deuxième partie du tubule contourné distale, dans le tube connecteur et le tube collecteur. L'aldostérone augmente l'expression de NCC au niveau protéique par un mécanisme non élucidé. La protéine ubiquitine ligase Nedd4-2 est exprimée tout le long du néphron sensible à l'aldostérone. ENaC est connu pour être régulé par Nedd4-2. Suite à une stimulation par l'aldostérone, la kinase Ser/Thr SGK1 phosphoryle Nedd4-2, ce qui empêche l'interaction entre Nedd4-2 et ENaC. Dans des cellules HEK293 transfectées, nous avons montré que Nedd4-2 interagit avec le co-transporteur NCC et stimule l'ubiquitylation de NCC à la surface. Nous avons montré dans les oocytes de Xenopus laevis que l'expression de NCC avec Nedd4-2 diminue l'activité du co-transporteur. Cette diminution n'est pas observée lorsqu'on exprime NCC avec le mutant inactif de Nedd4-2. Cette inhibition de NCC est contrée par SGK1. L'effet de SGK1 sur NCC dépend de son activité kinase. Nous avons montré dans des souris knock-out pour Nedd4-2, dans le néphron et de manière inductible, que l'expression de NCC est augmentée. Nous avons également montré que la suppression de la protéine Nedd4-2 dans les cellules mDCT15 provoque l'augmentation de NCC. Au contraire dans les souris knock-out pour la kinase SGK1, dans le néphron et de manière inductible, nous observons une diminution de la protéine NCC. Contrairement à ce qui a été montré pour le canal ENaC l'inhibition de NCC par Nedd4-2 est indépendante des motifs PY. De plus, La mutation des sérines 328 ou 222 sur Nedd4-2 en alanine n'interfère pas avec l'action de SGK1 pour prévenir l'inhibition. Par contre, la double mutation, les sérines 222 et 328 mutées en alanine, augmente l'action de Nedd4-2 sur l'activité de NCC et prévient l'effet de SGK1. Ces résultats montrent que l'expression et l'activité de NCC sont contrôlées par une voie de régulation impliquant Nedd4-2-SGK1 et nous fournissent une explication pour l'augmentation de NCC observé après une induction avec l'aldostérone.Résumé large publicOn estime que des millions de personnes seraient hypertendues. L'hypertension artérielle est responsable d'environ 8 millions de décès par ans dans le monde. L'hypertension est responsable de la moitié environs des accidents cardiaques, mais aussi des accidents vasculaires cérébraux. Il est très important de comprendre les mécanismes qui se trouvent derrière cette pathologie.Le co-transporteur NCC joue un grand rôle dans le maintien de la balance sodique. Il a été montré que des perturbations dans l'expression de NCC pouvaient engendrer de l'hypertension.Le co-transporteur NCC est exprimé dans la partie distale du néphron, l'unité fonctionnelle du rein. Plusieurs études ont montrées que NCC était sous le contrôle de l'hormone aldostérone.Le travail de cette thèse consiste à étudier les mécanismes impliqués dans la régulation de NCC. On a ainsi pu montrer que NCC interagit avec la protéine ubiquitine ligase Nedd4-2. La protéine Nedd4-2 diminue l'expression de NCC à la surface cellulaire et aussi son activité Nous avons également montré que la kinase SGK1 pouvait prévenir l'interaction entre Nedd4-2 et NCC par phosphorylation de Nedd4-2. Nous avons montré dans des souris deletée pour Nedd4-2, dans le néphron, que l'expression de NCC est augmentée. Nous avons également montré que la suppression de la protéine Nedd4-2 dans les cellules mDCT15 provoque l'augmentation de NCC. Au contraire, dans les souris deletée pour la kinase SGK1, dans le néphron, nous observons une diminution de la protéine NCC. La connaissance des processus impliqués dans la régulation du co-transporteur NCC pourrait amener au développement de nouveau médicaments pour soigner l'hypertension.

Vasopressin-inducible ubiquitin-specific protease 10 increases ENaC cell surface expression by deubiquitylating and stabilizing sorting nexin 3

Adjustment of Na+ balance in extracellular fluids is achieved by regulated Na+ transport involving the amiloride-sensitive epithelial Na+ channel (ENaC) in the distal nephron. In this context, ENaC is controlled by a number of hormones, including vasopressin, which promotes rapid translocation of water and Na+ channels to the plasma membrane and long-term effects on transcription of vasopressin-induced and -reduced transcripts. We have identified a mRNA encoding the deubiquitylating enzyme ubiquitin-specific protease 10 (Usp10), whose expression is increased by vasopressin at both the mRNA and the protein level. Coexpression of Usp10 in ENaC-transfected HEK-293 cells causes a more than fivefold increase in amiloride-sensitive Na+ currents, as measured by whole cell patch clamping. This is accompanied by a three- to fourfold increase in surface expression of alpha- and gamma-ENaC, as shown by cell surface biotinylation experiments. Although ENaC is well known to be regulated by its direct ubiquitylation, Usp10 does not affect the ubiquitylation level of ENaC, suggesting an indirect effect. A two-hybrid screen identified sorting nexin 3 (SNX3) as a novel substrate of Usp10. We show that it is a ubiquitylated protein that is degraded by the proteasome; interaction with Usp10 leads to its deubiquitylation and stabilization. When coexpressed with ENaC, SNX3 increases the channel's cell surface expression, similarly to Usp10. In mCCD(cl1) cells, vasopressin increases SNX3 protein but not mRNA, supporting the idea that the vasopressin-induced Usp10 deubiquitylates and stabilizes endogenous SNX3 and consequently promotes cell surface expression of ENaC

Mutations causing Liddle syndrome reduce sodium-dependent downregulation of the epithelial sodium channel in the Xenopus oocyte expression system.

Liddle syndrome is an autosomal dominant form of hypertension resulting from deletion or missense mutations of a PPPxY motif in the cytoplasmic COOH terminus of either the beta or gamma subunit of the epithelial Na channel (ENaC). These mutations lead to increased channel activity. In this study we show that wild-type ENaC is downregulated by intracellular Na+, and that Liddle mutants decrease the channel sensitivity to inhibition by intracellular Na+. This event results at high intracellular Na+ activity in 1.2-2.4-fold higher cell surface expression, and 2.8-3.5-fold higher average current per channel in Liddle mutants compared with the wild type. In addition, we show that a rapid increase in the intracellular Na+ activity induced downregulation of the activity of wild-type ENaC, but not Liddle mutants, on a time scale of minutes, which was directly correlated to the magnitude of the Na+ influx into the oocytes. Feedback inhibition of ENaC by intracellular Na+ likely represents an important cellular mechanism for controlling Na+ reabsorption in the distal nephron that has important implications for the pathogenesis of hypertension.

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.

Site of the action of a synthetic atrial natriuretic peptide evaluated in humans.

The renal site of the natriuretic effect of human, atrial natriuretic peptide (hANP) was studied using clearance techniques in eight salt-loaded normal volunteers undergoing maximal water diuresis. Lithium was used as a marker of proximal sodium reabsorption. According to a two-way, single blind, crossover design, hANP (Met12-(3-28)-eicosahexapeptide, (2 micrograms/min) or its vehicle (Ve) were infused for two hours, followed by a two-hour recovery period. Blood pressure, heart rate and insulin clearance remained unchanged. During hANP infusion, the filtration fraction increased slightly from 19.6 to 24.3% (P less than 0.001), fractional water excretion rose transiently at the beginning of the infusion. Fractional excretion of sodium increased markedly from 2.2% to 7.4% (P less than 0.001) but remained unchanged with Ve. ANP increased fractional excretion of lithium slightly from 46 to 58% (P less than 0.01), while it remained stable at 47% during Ve. The distal tubular rejection fraction of sodium calculated from sodium and lithium clearances rose markedly from 4.7 to 13% (P less than 0.001) and returned to 6.2% at the end of the recovery period. Thus, under salt loading and water diuresis conditions, hANP infusion did not alter GFR, but reduced proximal reabsorption of sodium, and markedly enhanced the fraction of sodium escaping distal tubular reabsorption, suggesting that hANP-induced natriuresis is due, for an important part, to inhibition of sodium reabsorption in the distal nephron.

Molecular clock is involved in predictive circadian adjustment of renal function.

Renal excretion of water and major electrolytes exhibits a significant circadian rhythm. This functional periodicity is believed to result, at least in part, from circadian changes in secretion/reabsorption capacities of the distal nephron and collecting ducts. Here, we studied the molecular mechanisms underlying circadian rhythms in the distal nephron segments, i.e., distal convoluted tubule (DCT) and connecting tubule (CNT) and the cortical collecting duct (CCD). Temporal expression analysis performed on microdissected mouse DCT/CNT or CCD revealed a marked circadian rhythmicity in the expression of a large number of genes crucially involved in various homeostatic functions of the kidney. This analysis also revealed that both DCT/CNT and CCD possess an intrinsic circadian timing system characterized by robust oscillations in the expression of circadian core clock genes (clock, bma11, npas2, per, cry, nr1d1) and clock-controlled Par bZip transcriptional factors dbp, hlf, and tef. The clock knockout mice or mice devoid of dbp/hlf/tef (triple knockout) exhibit significant changes in renal expression of several key regulators of water or sodium balance (vasopressin V2 receptor, aquaporin-2, aquaporin-4, alphaENaC). Functionally, the loss of clock leads to a complex phenotype characterized by partial diabetes insipidus, dysregulation of sodium excretion rhythms, and a significant decrease in blood pressure. Collectively, this study uncovers a major role of molecular clock in renal function.

Mechanism of urinary calcium regulation by urinary magnesium and pH.

Urinary magnesium and pH are known to modulate urinary calcium excretion, but the mechanisms underlying these relationships are unknown. In this study, the data from 17 clinical trials in which urinary magnesium and pH were pharmacologically manipulated were analyzed, and it was found that the change in urinary calcium excretion is directly proportional to the change in magnesium excretion and inversely proportional to the change in urine pH; a regression equation was generated to relate these variables (R(2) = 0.58). For further exploration of these relationships, intravenous calcium chloride, magnesium chloride, or vehicle was administered to rats. Magnesium infusion significantly increased urinary calcium excretion (normalized to urinary creatinine), but calcium infusion did not affect magnesium excretion. Parathyroidectomy did not prevent this magnesium-induced hypercalciuria. The effect of magnesium loading on calciuria was still observed after treatment with furosemide, which disrupts calcium and magnesium absorption in the thick ascending limb, suggesting that the effect may be mediated by the distal nephron. The calcium channel TRPV5, normally present in the distal tubule, was expressed in Xenopus oocytes. Calcium uptake by TRPV5 was directly inhibited by magnesium and low pH. In summary, these data are compatible with the hypothesis that urinary magnesium directly inhibits renal calcium absorption, which can be negated by high luminal pH, and that this regulation likely takes place in the distal tubule.

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

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

Compensatory up-regulation of angiotensin II subtype 1 receptors in alpha ENaC knockout heterozygous mice.

BACKGROUND: In mice, a partial loss of function of the epithelial sodium channel (ENaC), which regulates sodium excretion in the distal nephron, causes pseudohypoaldosteronism, a salt-wasting syndrome. The purpose of the present experiments was to examine how alpha ENaC knockout heterozygous (+/-) mice, which have only one allele of the gene encoding for the alpha subunit of ENaC, control their blood pressure (BP) and sodium balance. METHODS: BP, urinary electrolyte excretion, plasma renin activity, and urinary adosterone were measured in wild-type (+/+) and heterozygous (+/-) mice on a low, regular, or high sodium diet. In addition, the BP response to angiotensin II (Ang II) and to Ang II receptor blockade, and the number and affinity of Ang II subtype 1 (AT1) receptors in renal tissue were analyzed in both mouse strains on the three diets. RESULTS: In comparison with wild-type mice (+/+), alpha ENaC heterozygous mutant mice (+/-) showed an intact capacity to maintain BP and sodium balance when studied on different sodium diets. However, no change in plasma renin activity was found in response to changes in sodium intake in alpha ENaC +/- mice. On a normal salt diet, heterozygous mice had an increased vascular responsiveness to exogenous Ang II (P < 0.01). Moreover, on a normal and low sodium intake, these mice exhibited an increase in the number of AT1 receptors in renal tissues; their BP lowered markedly during the Ang II receptor blockade (P < 0.01) and there was a clear tendency for an increase in urinary aldosterone excretion. CONCLUSIONS: alpha ENaC heterozygous mice have developed an unusual mechanism of compensation leading to an activation of the renin-angiotensin system, that is, the up-regulation of AT1 receptors. This up-regulation may be due to an increase in aldosterone production.

Structure function relationships of ENaC and its role in sodium handling.

The epithelial sodium channel (ENaC) in the apical membrane of polarized epithelial cells is the rate-limiting step for Na entry into the cell; in series with the basolateral Na pump, it allows the vectorial transepithelial transport of Na ions. ENaC is expressed in different epithelia like the distal nephron or colon, and the airways epithelium. In the lung ENaC controls the composition and the amount of pulmonary fluid, whereas in the distal nephron ENaC under the control of aldosterone and vasopressin, is essential to adapt the amount of Na+ reabsorbed with the daily sodium intake. Activating mutations of ENaC cause severe disturbances of Na+ homeostasis leading to hypertension in human and in mouse models. Functional expression of ENaC in different cell systems allowed the identification of structural domains of the protein that are essential for channel function and/or modulation of channel activity. Site-directed mutations in specific domains of the channel protein lead to channel hyperactivity or channel loss of function. Knowledge about ENaC structure-function relationships opens new opportunities for development of pharmacological tools for controlling ENaC activity, such as channel activators of potential benefit in the treatment of pulmonary edema, or highly potent ENaC blockers with natriuretic effects.

The epithelial sodium channel and the control of sodium balance.

Studies aiming at the elucidation of the genetic basis of rare monogenic forms of hypertension have identified mutations in genes coding for the epithelial sodium channel ENaC, for the mineralocorticoid receptor, or for enzymes crucial for the synthesis of aldosterone. These genetic studies clearly demonstrate the importance of the regulation of Na(+) absorption in the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), for the maintenance of the extracellular fluid volume and blood pressure. Recent studies aiming at a better understanding of the cellular and molecular basis of ENaC-mediated Na(+) absorption in the distal part of nephron, have essentially focused on the regulation ENaC activity and on the aldosterone-signaling cascade. ENaC is a constitutively open channel, and factors controlling the number of active channels at the cell surface are likely to have profound effects on Na(+) absorption in the ASDN, and in the amount of Na(+) that is excreted in the final urine. A number of membrane-bound proteases, kinases, have recently been identified that increase ENaC activity at the cell surface in heterologous expressions systems. Ubiquitylation is a general process that regulates the stability of a variety of target proteins that include ENaC. Recently, deubiquitylating enzymes have been shown to increase ENaC activity in heterologous expressions systems. These regulatory mechanisms are likely to be nephron specific, since in vivo studies indicate that the adaptation of the renal excretion of Na(+) in response to Na(+) diet occurs predominantly in the early part (the connecting tubule) of the ASDN. An important work is presently done to determine in vivo the physiological relevance of these cellular and molecular mechanisms in regulation of ENaC activity. The contribution of the protease-dependent ENaC regulation in mediating Na(+) absorption in the ASDN is still not clearly understood. The signaling pathway that involves ubiquitylation of ENaC does not seem to be absolutely required for the aldosterone-mediated control of ENaC. These in vivo physiological studies presently constitute a major challenge for our understanding of the regulation of ENaC to maintain the Na(+) balance.