Analyse fonctionnelle de deux nouvelles mutations récessives de l’AQP2 impliquées dans le diabète insipide néphrogénique par expression dans les ovocytes de Xenopus laevis

Le diabète insipide néphrogénique (DIN) autosomal peut être causé par les mutations du gène codant pour le canal à eau aquaporine-2 (AQP2). Un modèle couramment utilisé pour l’étude des protéines membranaires telle l’AQP2 est l’expression hétérologue dans les ovocytes de Xenopus laevis. Malheureusement, les techniques déjà existantes de purification de membranes plasmiques sont soit trop longues, trop difficiles ou demandent trop de matériel, ne permettent pas l’analyse adéquate du ciblage des formes sauvage comme mutantes, un élément crucial de ce type d’étude. Nous avons donc dans un premier temps mis au point une technique rapide et efficace de purification de membranes plasmiques qui combine la digestion partielle de la membrane vitelline, sa polymérisation à la membrane plasmique suivi de centrifugations à basse vitesse pour récolter les membranes purifiées. Nous avons utilisé cette technique dans l’étude de deux nouveaux cas familiaux de patients hétérozygotes possédant les mutations V24A et R187C dans un cas et K228E et R187C dans le second cas. Pour chaque mutation, nous avons analysé autant les éléments de fonctionnalité que les paramètres d’expression des protéines mutantes. Les expériences de perméabilité membranaire démontrent que les ovocytes exprimant AQP2-V24A (Pf = 16.3 ± 3.5 x 10-4 cm/s, 10 ng) et AQP2- K228E (Pf = 19.9 ± 7.0 x 10-4 cm/s, 10 ng) ont des activités similaires à celle exprimant la forme native (Pf = 14.4 ± 5.5 x 10-4 cm/s, 1 ng), tandis que AQP2- R187C (Pf = 2.6 ± 0.6 x 10-4 cm/s, 10 ng) ne semble avoir aucune activité comme ce qui est observé chez les ovocytes non-injectés (Pf = 2.8 ± 1.0 x 10-4 cm/s). Les études de co-expression ont démontré un effet d’additivité lorsque AQP2-V24A et -K228E sont injectées avec la forme native et un effet s’apparentant à la dominance négative lorsque AQP2-R187C est injecté avec la forme native, avec AQP2-V24A ou avec –K228E. Les résultats obtenus par immunobuvardage représente bien ce qui a été démontré précédemment, on remarque la présence des mutations K228E, V24A et la forme sauvage à la membrane plasmique, contrairement à la mutation R187C. Cependant, lorsque les mutations sont exprimées dans des cellules mIMCD-3, il n’y a qu’une faible expression à la membrane de la forme –K228E et une absence totale des formes –V24A et –R187C à la membrane plasmique, contrairement à la forme native. Les résultats de nos études démontrent que tout dépendant du système d’expression les formes –K228E et –V24A peuvent être utiles dans l’étude des problèmes d’adressage à la membrane à l’aide de chaperonne chimique. De plus, la forme –R187C démontre des difficultés d’adressage qui devront être étudiées afin de mieux comprendre la synthèse des formes natives.

Conséquences fonctionnelles de mutations affectant le récepteur de la vasopressine de type 2 et implications thérapeutiques

Le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) joue un rôle crucial dans l’homéostasie hydrique. Exprimé principalement au niveau du rein, son activation par l’hormone antidiurétique arginine-vasopressine (AVP) favorise la réabsorption d’eau, participant ainsi à diminuer la diurèse. Plus de 200 mutations dans le gène du V2R ont été associées au diabète néphrogénique insipide congénital (DINc), une maladie causée par une perte de fonction du récepteur. À l’opposé, trois mutations découvertes récemment induisent un gain de fonction du V2R, et sont la cause du syndrome néphrogénique de l’anti-diurèse inappropriée (NSIAD). Les travaux de cette thèse visent à mieux comprendre les bases moléculaires responsables de la perte ou du gain de fonction des récepteurs mutants associés à ces deux maladies. Dans plus de 50% des cas, les mutations faux-sens affectent négativement l’adoption d’une conformation native par le V2R, provoquant la reconnaissance et la rétention intracellulaire des mutants par le système de contrôle de qualité du réticulum endoplasmique. Nos résultats ont démontré que l’interaction entre les récepteurs mutants et le chaperon moléculaire calnexine est dépendante de N-glycosylation et que sa durée varie en fonction de la mutation. De plus, l’importance de cette modification co-traductionnelle et des interactions lectines-sucres dans le processus de maturation d’un mutant donné s’est avérée une caractéristique intrinsèque, puisque l’absence de N-glycosylation n’a pas affecté le mutant Y128S (phénotype léger) tandis que la maturation du mutant W164S (phénotype sévère) a été totalement abolie. Nos résultats suggèrent aussi que l’action des chaperons pharmacologiques (CP), molécules favorisant la maturation des mutants du V2R, peut survenir à différentes étapes au cours du processus de maturation, selon le mutant réchappé. Ces différences entre muta nts suggèrent des processus biosynthétiques ‘personnalisés’ dictés par la nature de la mutation impliquée et pourraient expliquer la différence de sévérité des manifestations cliniques chez les patients porteurs de ces mutations. Bien qu’une récupération de fonction ait été obtenue pour les mutants Y128S et W164S par un traitement au CP, il n’en est pas de même pour toutes les mutations occasionnant un défaut conformationnel. C’est ce que nous avons démontré pour le mutant V88M, affligé de deux défauts, soit une faible efficacité de maturation combinée à une basse affinité pour l’AVP. Dans ce cas, et malgré une augmentation du nombre de récepteurs mutants la surface cellulaire, la diminution de l’affinité apparente du récepteur mutant pour l’AVP a été exacerbée par la présence résiduelle de CP à son site de liaison, rendant impossible l’activation du récepteur aux concentrations physiologiques d’AVP. Les mutants R137C et R137L ont une activité constitutive élevée et mènent au NSIAD tandis que la substitution de cette même arginine par une histidine (R137H) mène au DINc. Ces trois mutants se sont avéré partager plusieurs caractéristiques, dont une efficacité de maturation réduite et une désensibilisation spontanée élevée. La seule différence iden tifiée entre ces mutants est leur niveau d’activité constitutive. Le CP utilisé dans nos études possède aussi la propriété d’agoniste inverse, mais n’a pourtant pas diminué l’activité constitutive des mutants R137C/L, suggérant une conformation active ‘figée’. Seul l’effet chaperon a été observé, entraînant la hausse de récepteurs à la surface cellulaire, qui se traduit par une augmentation de la production de second messager. Nous avons par contre suggéré l’utilisation d’AVP puisqu’il favorise l’endocytose des récepteurs R137/L sans promouvoir leur activation, diminuant ainsi le nombre de récepteurs actifs à la surface cellulaire. Nous avons identifié la première mutation occasionnant un gain de fonction du V2R qui n’implique pas l’arginine 137. Le mutant F229V a une activité constitutive élevée et, contrairement aux R137C et R137L, il n’est pas sujet à une désensibilisation spontanée accrue. L’observation que des agonistes inverses sont aptes à inhiber l’activité constitutive de ce nouveau mutant est une découverte importante puisque l’insuccès obtenu avec les mutations précédentes suggérait que ces molécules n’étaient pas utiles pour le traitement du NSIAD. Considérés globalement, ces travaux illustrent le caractère particulier des formes mutantes du V2R et l’importance de bien cerner les conséquences fonctionnelles des mutations afin d’apporter aux patients atteints de DINc ou NSIAD une thérapie personnalisée, et de développer de nouveaux agents thérapeutiques adaptés aux besoins.

Caractérisation biochimique et fonctionnelle du mutant T179N de l’aquaporine-2 humaine

L’aquaporine-2 (AQP2) est le canal responsable de la réabsorption finale d’eau au niveau du tubule collecteur du rein. À la base, contenue dans des vésicules internes, l’AQP2 est acheminée à la membrane apicale des cellules principales du tubule collecteur suite à une stimulation par l’hormone antidiurétique (ADH). L’incapacité à accomplir cette fonction entraîne le diabète insipide néphrogénique (DIN), une maladie caractérisée par l’inhabileté du rein à concentrer l’urine, entraînant une production de volumes urinaires élevés. Alors que les mutations récessives génèrent des protéines mal structurées et incapables de former des tétramères, les mutations dominantes sont capables de s’associer à leurs homologues sauvages, engendrant ainsi un DIN même chez les patients hétérozygotes. Ce mémoire présente l’analyse biochimique et fonctionnelle d’une nouvelle mutation naturelle de l’AQP2, la mutation T179N, aussi responsable du DIN. Cette dernière est particulièrement intéressante de par son génotype qui implique un caractère dominant, et sa position extracellulaire habituellement réservée aux mutations récessives. Les études comparatives de T179N à deux modèles de mutation récessive et dominante démontrent, tant en ovocytes de Xenopus laevis qu’en lignée cellulaire mpkCCDc14, le caractère récessif de cette nouvelle mutation. Les tests d’immunobuvardage de lysats d’ovocytes en membranes totales et membranes plasmiques purifiées ont révélé que seule la forme sauvage atteint la membrane plasmique alors que le mutant T179N est séquestré dans la cellule. En accord avec ce résultat, les analyses de perméabilité fonctionnelle démontrent aussi une absence d’activité pour T179N. En cellule mpkCCDc14, le mutant T179N exprimé seul n’atteint pas la membrane plasmique suite à l’action de la forskoline, contrairement à la forme sauvage. Cependant, ce mutant peut s’associer à son homologue sauvage en coexpression tant dans les ovocytes qu’en lignée mpkCCDc14 sans toutefois engendrer l’effet typique de dominance négative. En fait, dans ce contexte de coexpression, on remarque une augmentation de la Pf de 83±7 % et une récupération d’adressage à la membrane plasmique en cellule (immunofluorescence). En conclusion, T179N serait un mutant récessif fonctionnellement récupérable lorsqu’en présence de l’AQP2 sauvage.

Rosiglitazone reverses tenofovir-induced nephrotoxicity

Tenofovir disoproxil fumarate (TDF) is a first-line drug used in patients with highly active retroviral disease; however, it can cause renal failure associated with many tubular anomalies that may be due to down regulation of a variety of ion transporters. Because rosiglitazone, a peroxisome proliferator-activated receptor-gamma agonist induces the expression of many of these same transporters, we tested if the nephrotoxicity can be ameliorated by its use. High doses of TDF caused severe renal failure in rats accompanied by a reduction in endothelial nitric-oxide synthase and intense renal vasoconstriction; all of which were significantly improved by rosiglitazone treatment. Low-dose TDF did not alter glomerular filtration rate but produced significant phosphaturia, proximal tubular acidosis, polyuria and a reduced urinary concentrating ability. These alterations were caused by specific downregulation of the sodium-phosphorus cotransporter, sodium/hydrogen exchanger 3 and aquaporin 2. A Fanconi`s-like syndrome was ruled out as there was no proteinuria or glycosuria. Rosiglitazone reversed TDF-induced tubular nephrotoxicity, normalized urinary biochemical parameters and membrane transporter protein expression. These studies suggest that rosiglitazone treatment might be useful in patients presenting with TFV-induced nephrotoxicity especially in those with hypophosphatemia or reduced glomerular filtration rate.

Acompanhamento laboratorial da função renal de cães sadios tratados experimentalmente com doses terapêuticas de anfotericina B

O presente trabalho objetivou avaliar a função renal de dez cães adultos saudáveis submetidos à administração de doses terapêuticas do antifúngico anfotericina B, cuja utilização tem sido limitada pelo seu elevado potencial nefrotóxico, e avaliar o método laboratorial mais sensível e precoce de diagnóstico de lesão renal. Foram realizadas, diariamente, urinálise, excreção fracionada de sódio e potássio, dosagem sérica de creatinina e uréia e atividade urinária de gama-glutamiltransferase (GGT). Concluiu-se que a anfotericina B provoca lesões nos túbulos proximal e distal, induzindo acidose tubular renal do tipo I e Diabetes insipidus nefrogênico em cães. Avaliação da função renal, preferencialmente por dosagens de creatinina, uréia e potássio séricos, é recomendada antes de cada aplicação do fármaco. A densidade urinária foi o parâmetro mais precocemente alterado pela lesão renal. A GGT urinária não foi eficaz para o diagnóstico precoce de lesão induzida por anfotericina B.

Acompanhamento laboratorial da função renal de cães sadios tratados experimentalmente com doses terapêuticas de anfotericina b

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FMVZ

Sildenafil reduces polyuria in rats with lithium-induced NDI

Sanches TR, Volpini RA, Massola Shimizu MH, de Bragan a AC, Oshiro-Monreal F, Seguro AC, Andrade L. Sildenafil reduces polyuria in rats with lithium-induced NDI. Am J Physiol Renal Physiol 302: F216-F225, 2012. First published October 12, 2011; doi:10.1152/ajprenal.00439.2010.-Lithium (Li)-treated patients often develop urinary concentrating defect and polyuria, a condition known as nephrogenic diabetes insipidus (NDI). In a rat model of Li-induced NDI, we studied the effect that sildenafil (Sil), a phosphodiesterase 5 (PDE5) inhibitor, has on renal expression of aquaporin-2 (AQP2), urea transporter UT-A1, Na(+)/H(+) exchanger 3 (NHE3), Na(+)-K(+)-2Cl(-) cotransporter (NKCC2), epithelial Na channel (ENaC; alpha-, beta-, and gamma-subunits), endothelial nitric oxide synthase (eNOS), and inducible nitric oxide synthase. We also evaluated cGMP levels in medullary collecting duct cells in suspension. For 4 wk, Wistar rats received Li (40 mmol/kg food) or no treatment (control), some receiving, in weeks 2-4, Sil (200 mg/kg food) or Li and Sil (Li+Sil). In Li+Sil rats, urine output and free water clearance were markedly lower, whereas urinary osmolality was higher, than in Li rats. The cGMP levels in the suspensions of medullary collecting duct cells were markedly higher in the Li+Sil and Sil groups than in the control and Li groups. Semiquantitative immunoblotting revealed the following: in Li+Sil rats, AQP2 expression was partially normalized, whereas that of UT-A1, gamma-ENaC, and eNOS was completely normalized; and expression of NKCC2 and NHE3 was significantly higher in Li rats than in controls. Inulin clearance was normal in all groups. Mean arterial pressure and plasma arginine vasopressin did not differ among the groups. Sil completely reversed the Li-induced increase in renal vascular resistance. We conclude that, in experimental Li-induced NDI, Sil reduces polyuria, increases urinary osmolality, and decreases free water clearance via upregulation of renal AQP2 and UT-A1.

Protein-Protein- und Protein-Lipid-Wechselwirkungen beeinflussen die Oligomerisierung und Funktion des E. coli Aquaglyceroporins GlpF

Aquaporine sind hochselektive Transmembrankanäle, die in allen Lebensformen den Fluss von Wasser und kleinen, polaren Molekülen wie Glycerol über Lipidmembranen ermöglichen. Obwohl die Kanalpore für den Substratfluss im Monomer lokalisiert ist, liegen Aquaporine innerhalb biologischer Membranen als Homotetramere vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden proteinbezogene und lipidmembranassoziierte Einflüsse auf die Oligomerisierung und Funktion des bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF sowohl in vitro als auch in vivo untersucht. rnDie erhöhte Stabilität der Aquaporinpore sowie Interaktion zwischen den GlpF-Monomeren sind Triebkräfte der Aquaporin-Tetramerisierung. Ferner erfordern die GlpF-Tetramerisierung und -Aktivität bei Abschirmung der Ladung anionischer Lipide und einer minimalen Membrandicke von 27 Å keine spezielle Lipidumgebung. Da anionische Lipide die GlpF-Funktion jedoch störten, kann die GlpF-Aktivität in vivo möglicherweise durch die selektive Anreicherung von anionischen Lipiden in der unmittelbaren Proteinumgebung reguliert werden. Ungünstige Lipid-GlpF-Interaktionen können jedoch in Lipidumgebungen mit hoher Ordnung in der Acylkettenregion entstehen, die zu einer Aggregation der GlpF-Tetramere und reduzierten Aktivität führen. rnFerner wurde die Auswirkung der nephrogenen Diabetes insipidus verursachenden Aquaporin 2-Punktmutation V71M auf die Oligomerisierung und Funktion des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF untersucht. Da weder die Oligomierisierung noch die Aktivität des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins eingeschränkt sind, beruht der Krankheitsmechanismus der Aquaporin 2-Mutante V71M vermutlich auf einem defekten Transportmechansimus im Menschen. rn

Diagnostic Accuracy of Copeptin in the Differential Diagnosis of the Polyuria-polydipsia Syndrome: A Prospective Multicenter Study

CONTEXT The polyuria-polydipsia syndrome comprises primary polydipsia (PP) and central and nephrogenic diabetes insipidus (DI). Correctly discriminating these entities is mandatory, given that inadequate treatment causes serious complications. The diagnostic "gold standard" is the water deprivation test with assessment of arginine vasopressin (AVP) activity. However, test interpretation and AVP measurement are challenging. OBJECTIVE The objective was to evaluate the accuracy of copeptin, a stable peptide stoichiometrically cosecreted with AVP, in the differential diagnosis of polyuria-polydipsia syndrome. DESIGN, SETTING, AND PATIENTS This was a prospective multicenter observational cohort study from four Swiss or German tertiary referral centers of adults >18 years old with the history of polyuria and polydipsia. MEASUREMENTS A standardized combined water deprivation/3% saline infusion test was performed and terminated when serum sodium exceeded 147 mmol/L. Circulating copeptin and AVP levels were measured regularly throughout the test. Final diagnosis was based on the water deprivation/saline infusion test results, clinical information, and the treatment response. RESULTS Fifty-five patients were enrolled (11 with complete central DI, 16 with partial central DI, 18 with PP, and 10 with nephrogenic DI). Without prior thirsting, a single baseline copeptin level >21.4 pmol/L differentiated nephrogenic DI from other etiologies with a 100% sensitivity and specificity, rendering a water deprivation testing unnecessary in such cases. A stimulated copeptin >4.9 pmol/L (at sodium levels >147 mmol/L) differentiated between patients with PP and patients with partial central DI with a 94.0% specificity and a 94.4% sensitivity. A stimulated AVP >1.8 pg/mL differentiated between the same categories with a 93.0% specificity and a 83.0% sensitivity. LIMITATION This study was limited by incorporation bias from including AVP levels as a diagnostic criterion. CONCLUSION Copeptin is a promising new tool in the differential diagnosis of the polyuria-polydipsia syndrome, and a valid surrogate marker for AVP. Primary Funding Sources: Swiss National Science Foundation, University of Basel.

Altered cell surface expression of human MC1R variant receptor alleles associated with red hair and skin cancer risk

The human melanocortin-1 receptor gene (MC1R) encodes a G-protein coupled receptor that is primarily expressed on melanocytes, where it plays a key role in pigmentation regulation. Variant alleles are associated with red hair colour and fair skin, known as the RHC phenotype, as well as skin cancer risk. The R151C, R160W and D294H alleles, designated 'R', are strongly associated with the RHC phenotype and have been proposed to result in loss of function receptors due to impaired G-protein coupling. We recently provided evidence that the R151C and R160W variants can efficiently couple to G-proteins in response to alpha-melanocyte stimulating hormone. The possibility that altered cellular localization of the R151C and R160W variant receptors could underlie their association with RHC was therefore considered. Using immunofluorescence and ligand binding studies, we found that melanocytic cells exogenously or endogenously expressing MC1R show strong surface localization of the wild-type and D294H alleles but markedly reduced cell surface expression of the R151C and R160W receptors. In additional exogenous expression studies, the R variant D84E and the rare I155T variant, also demonstrated a significant reduction in plasma membrane receptor numbers. The V60L, V92M and R163Q weakly associated RHC alleles, designated 'r', were expressed with normal or intermediate cell surface receptor levels. These results indicate that reduced receptor coupling activity may not be the only contributing factor to the genetic association between the MC1R variants and the RHC phenotype, with MC1R polymorphisms now linked to a change in receptor localization.

Caractérisation et étude d'un élément régulateur du gène codant pour le récepteur à la vasopressine de type 2

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, France

Carbamazepine can induce kidney water absorption by increasing aquaporin 2 expression

Background. Carbamazepine (Carba) is an anticonvulsant and psychotropic drug used widely for the treatment of intellectual disability and severe pains, but the incidence of hyponatremia is a common related occurrence. This hyponatremia is frequently attributed to a SIADH induced by this drug. It is also known that Carba is used to decrease the urinary volume in Diabetes Insipidus (DI) because it has an antidiuretic effect. Lithium (Li) is one of the most important drugs used to treat bipolar mood disorders. However Li has the undesirable capacity to induce DI. Nowadays, the association of these drugs is used in the treatment of patients with psychiatric and neurological problems. Methods. In vivo and in vitro (microperfusion) experiments were developed to investigate the effect of Carba in the rat Inner Medullary Collecting Duct (IMCD). Results. The results revealed that Carba was able to stimulate the V2 vasopressin receptor-Protein G complex increasing the water permeability (Pf) and water absorption. In vivo studies showed that in rats with lithium-induced DI, Carba decreased the urinary volume and increased the urinary osmolality. AQP2 expression was increased both in normal IMCD incubated with Carba and in IMCD from lithium-induced DI after Carba addition to the diet, when compared with the control. Conclusion. These results showed that the hyponatremia observed in patients using this anticonvulsant drug, at least in part, is due to the Carba capacity to increase IMCD`s Pf and that the Lithium-Carbamazepine association is beneficial to the patient.

Novel Heterozygous Nonsense GLI2 Mutations in Patients with Hypopituitarism and Ectopic Posterior Pituitary Lobe without Holoprosencephaly

Context: GLI2 is a transcription factor downstream in Sonic Hedgehog signaling, acting early in ventral forebrain and pituitary development. GLI2 mutations were reported in patients with holoprosencephaly (HPE) and pituitary abnormalities. Objective: The aim was to report three novel frameshift/nonsense GLI2 mutations and the phenotypic variability in the three families. Setting: The study was conducted at a university hospital. Patients and Methods: The GLI2 coding region of patients with isolated GH deficiency (IGHD) or combined pituitary hormone deficiency was amplified by PCR using intronic primers and sequenced. Results: Three novel heterozygous GLI2 mutations were identified: c. 2362_2368del p. L788fsX794 (family 1), c. 2081_2084del p. L694fsX722 (family 2), and c. 1138 G > T p. E380X (family 3). All predict a truncated protein with loss of the C-terminal activator domain. The index case of family 1 had polydactyly, hypoglycemia, and seizures, and GH, TSH, prolactin, ACTH, LH, and FSH deficiencies. Her mother and seven relatives harboring the same mutation had polydactyly, including two uncles with IGHD and one cousin with GH, TSH, LH, and FSH deficiencies. In family 2, a boy had cryptorchidism, cleft lip and palate, and GH deficiency. In family 3, a girl had hypoglycemia, seizures, excessive thirst and polyuria, and GH, ACTH, TSH, and antidiuretic hormone deficiencies. Magnetic resonance imaging of four patients with GLI2 mutations and hypopituitarism showed a hypoplastic anterior pituitary and an ectopic posterior pituitary lobe without HPE. Conclusion: We describe three novel heterozygous frameshift or nonsense GLI2 mutations, predicting truncated proteins lacking the activator domain, associated with IGHD or combined pituitary hormone deficiency and ectopic posterior pituitary lobe without HPE. These phenotypes support partial penetrance, variable polydactyly, midline facial defects, and pituitary hormone deficiencies, including diabetes insipidus, conferred by heterozygous frameshift or nonsense GLI2 mutations. (J Clin Endocrinol Metab 95: E384-E391, 2010)

Rare sellar lesions

Sellar masses are associated most commonly with pituitary adenomas. Many other neoplastic, inflammatory, infectious, and vascular lesions, however, may affect the sellar region and mimic pituitary tumors. These lesions must be considered in a differential diagnosis. This article describes the characteristics of rare sellar masses that provide clues to their differential diagnosis.