CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Alveolar epithelial CNGA1 channels mediate cGMP-stimulated, amiloride-insensitive, lung liquid absorption.

Impairment of lung liquid absorption can lead to severe respiratory symptoms, such as those observed in pulmonary oedema. In the adult lung, liquid absorption is driven by cation transport through two pathways: a well-established amiloride-sensitive Na(+) channel (ENaC) and, more controversially, an amiloride-insensitive channel that may belong to the cyclic nucleotide-gated (CNG) channel family. Here, we show robust CNGA1 (but not CNGA2 or CNGA3) channel expression principally in rat alveolar type I cells; CNGA3 was expressed in ciliated airway epithelial cells. Using a rat in situ lung liquid clearance assay, CNG channel activation with 1 mM 8Br-cGMP resulted in an approximate 1.8-fold stimulation of lung liquid absorption. There was no stimulation by 8Br-cGMP when applied in the presence of either 100 μM L: -cis-diltiazem or 100 nM pseudechetoxin (PsTx), a specific inhibitor of CNGA1 channels. Channel specificity of PsTx and amiloride was confirmed by patch clamp experiments showing that CNGA1 channels in HEK 293 cells were not inhibited by 100 μM amiloride and that recombinant αβγ-ENaC were not inhibited by 100 nM PsTx. Importantly, 8Br-cGMP stimulated lung liquid absorption in situ, even in the presence of 50 μM amiloride. Furthermore, neither L: -cis-diltiazem nor PsTx affected the β(2)-adrenoceptor agonist-stimulated lung liquid absorption, but, as expected, amiloride completely ablated it. Thus, transport through alveolar CNGA1 channels, located in type I cells, underlies the amiloride-insensitive component of lung liquid reabsorption. Furthermore, our in situ data highlight the potential of CNGA1 as a novel therapeutic target for the treatment of diseases characterised by lung liquid overload.

Effects of pioglitazone on renal calcium excretion.

Context: Glitazones increase fracture risk in long-term users and in postmenopausal women. Studies have demonstrated deleterious effects of glitazones on bone metabolism. Glitazones also have direct renal tubular effects increasing sodium reabsorption. We hypothesized that glitazones may also regulate renal calcium excretion. Design: In this double-blind, randomized, placebo-controlled, four-way, crossover study, we examined the effects of pioglitazone (45 mg/d for 6 wk) or placebo on renal calcium and phosphate excretion and PTH levels during different sodium intakes in 16 individuals (eight with type 2 diabetes and eight with essential hypertension). Results: Pioglitazone had no effect on corrected plasma calcium and phosphate levels but decreased significantly the alkaline phosphatase and PTH levels. Pioglitazone induced on average a 45% increase in urinary calcium excretion. The fractional excretion of calcium rose to the same extent, suggesting a glomerular filtration rate-independent effect. Sodium intake did not influence the calciuric effect of pioglitazone. Changes in diurnal and nocturnal calciuria were similar. There was no effect of pioglitazone on phosphate excretion. Conclusion: Pioglitazone decreases PTH levels and increases urinary calcium excretion, independently from changes in glomerular filtration rate and from the sodium load, suggesting an inhibitory effect of pioglitazone on the tubular reabsorption of calcium. These effects may contribute to the increased fracture risk with glitazone treatment.

Regulation of the transforming growth factor beta-responsive transcription factor CTF-1 by calcineurin and calcium/calmodulin-dependent protein kinase IV.

Transforming growth factor beta (TGF-beta) is a pluripotent peptide hormone that regulates various cellular activities, including growth, differentiation, and extracellular matrix protein gene expression. We previously showed that TGF-beta induces the transcriptional activation domain (TAD) of CTF-1, the prototypic member of the CTF/NF-I family of transcription factors. This induction correlates with the proposed role of CTF/NF-I binding sites in collagen gene induction by TGF-beta. However, the mechanisms of TGF-beta signal transduction remain poorly understood. Here, we analyzed the role of free calcium signaling in the induction of CTF-1 transcriptional activity by TGF-beta. We found that TGF-beta stimulates calcium influx and mediates an increase of the cytoplasmic calcium concentration in NIH3T3 cells. TGF-beta induction of CTF-1 is inhibited in cells pretreated with thapsigargin, which depletes the endoplasmic reticulum calcium stores, thus further arguing for the potential relevance of calcium mobilization in TGF-beta action. Consistent with this possibility, expression of a constitutively active form of the calcium/calmodulin-dependent phosphatase calcineurin or of the calcium/calmodulin-dependent kinase IV (DeltaCaMKIV) specifically induces the CTF-1 TAD and the endogenous mouse CTF/NF-I proteins. Both calcineurin- and DeltaCaMKIV-mediated induction require the previously identified TGF-beta-responsive domain of CTF-1. The immunosuppressants cyclosporin A and FK506 abolish calcineurin-mediated induction of CTF-1 activity. However, TGF-beta still induces the CTF-1 TAD in cells treated with these compounds or in cells overexpressing both calcineurin and DeltaCaMKIV, suggesting that other calcium-sensitive enzymes might mediate TGF-beta action. These results identify CTF/NF-I as a novel calcium signaling pathway-responsive transcription factor and further suggest multiple molecular mechanisms for the induction of CTF/NF-I transcriptional activity by growth factors.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.

Alkaline mineral water lowers bone resorption even in calcium sufficiency: alkaline mineral water and bone metabolism.

BACKGROUND: Dietary acid charge enhances bone loss. Bicarbonate or alkali diet decreases bone resorption in humans. We compared the effect of an alkaline mineral water, rich in bicarbonate, with that of an acid one, rich in calcium only, on bone markers, in young women with a normal calcium intake. METHODS: This study compared water A (per litre: 520 mg Ca, 291 mg HCO(3)(-), 1160 mg SO(4)(-), Potential Renal Acid load (PRAL) +9.2 mEq) with water B (per litre: 547 mg Ca, 2172 mg HCO(3)(-), 9 mg SO(4)(-), PRAL -11.2 mEq). 30 female dieticians aged 26.3 yrs (SD 7.3) were randomized into two groups, followed an identical weighed, balanced diet (965 mg Ca) and drank 1.5 l/d of the assigned water. Changes in blood and urine electrolytes, C-telopeptides (CTX), urinary pH and bicarbonate, and serum PTH were measured after 2 and 4 weeks. RESULTS: The two groups were not different at baseline, and showed a similar increase in urinary calcium excretion. Urinary pH and bicarbonate excretion increased with water B, but not with water A. PTH (p=0.022) and S-CTX (p=0.023) decreased with water B but not with water A. CONCLUSION: In calcium sufficiency, the acid calcium-rich water had no effect on bone resorption, while the alkaline water rich in bicarbonate led to a significant decrease of PTH and of S-CTX.

The Munc13 proteins differentially regulate readily releasable pool dynamics and calcium-dependent recovery at a central synapse.

The Munc13 gene family encodes molecules located at the synaptic active zone that regulate the reliability of synapses to encode information over a wide range of frequencies in response to action potentials. In the CNS, proteins of the Munc13 family are critical in regulating neurotransmitter release and synaptic plasticity. Although Munc13-1 is essential for synaptic transmission, it is paradoxical that Munc13-2 and Munc13-3 are functionally dispensable at some synapses, although their loss in other synapses leads to increases in frequency-dependent facilitation. We addressed this issue at the calyx of Held synapse, a giant glutamatergic synapse that we found to express all these Munc13 isoforms. We studied their roles in the regulation of synaptic transmission and their impact on the reliability of information transfer. Through detailed electrophysiological analyses of Munc13-2, Munc13-3, and Munc13-2-3 knock-out and wild-type mice, we report that the combined loss of Munc13-2 and Munc13-3 led to an increase in the rate of calcium-dependent recovery and a change in kinetics of release of the readily releasable pool. Furthermore, viral-mediated overexpression of a dominant-negative form of Munc13-1 at the calyx demonstrated that these effects are Munc13-1 dependent. Quantitative immunohistochemistry using Munc13-fluorescent protein knock-in mice revealed that Munc13-1 is the most highly expressed Munc13 isoform at the calyx and the only one highly colocalized with Bassoon at the active zone. Based on these data, we conclude that Munc13-2 and Munc13-3 isoforms limit the ability of Munc13-1 to regulate calcium-dependent replenishment of readily releasable pool and slow pool to fast pool conversion in central synapses.

Role of basic calcium phosphate crystals in osteoarthritis

L'arthrose est une maladie dégénérative des articulations due à une dégradation progressive du cartilage. La calcification de l'articulation (essentiellement due à des dépôts de cristaux de phosphate de calcium basique -cristaux BCP-) est une caractéristique de cette maladie. Cependant, le rôle des cristaux BCP reste à déterminer. Nous avons tout d'abord déterminé en utilisant des cultures primaires de chondrocytes que les cristaux de BCP induisaient la production de la cytokine IL-6, via une signalisation intracellulaire implicant les kinase Syk, PI3 et Jak et Stat3. Les cristaux de BCP induisent également la perte de protéoglycanes et l'expression de IL-6 dans des explants de cartlage humain et ces deux effets peuvent être bloqués par un inhibiteur de IL-6, le Tocilizumab. Par ailleurs, nous avons trouvé que l'IL-6 ajouté à des chondrocytes, favorisait la formation de cristax de BCP et augmentait l'expression de gènes impliqués dans le processus de minéralisation : Ank (codant pour un transporteur de pyrophooshate), Annexin5 (codant pour un canal calcique) et Pit-1 (codant pour un transporteur de phoshate). In vivo, les cristaux de BCP injectés dans l'articulation de souris induisent une érosion du cartilage. Dans un modèle murin d'arthrose du genou induit par ménisectomie, nous avons observé la formation progressive de cristaux de BCP. Fait intéressant, la présence de ces cristaux dans l'articulation précédait la destruction du cartilage. Un agent susceptible de bloquer les calcifications tel que le sodium thiosulfate (STS), administré à des souris ménisectomisées, inhibait le dépôt intra-articulaire de ces cristaux ainsi que l'érosion du cartilage. Nous avons identifié ainsi un cercle vicieux dans l'arthrose, les cristaux induisant l'interleukine-6 et l'interleukine-6 induisant la formation de ces cristaux. Nous avons étudié si on pouvait bloquer cette boucle cristaux de BCP-IL6 soit par des agents décalcifiants, soit par des inhibiteurs d'IL-6. In vitro, des anticorps anti IL- 6 ou des inhibiteurs de signalisation, inhibaient significativement IL-6 et la minéralisation induite par IL-6. De même le STS inhibait la formation de ces cristaux et la production de l'IL-6. Tout récemment, nous avons trouvé que des inhibiteurs de la xanthine oxidoréductase étaient aussi capables d'inhiber à la fois la production d'IL-6 et la minéralization des chondrocytes. Finalement, nous avons pu exclure un rôle du système IL-1 dans le modèle d'arthrose induite par ménisectomie, les souris déficientes pour IL-1a/ß, MyD88 et l'inflammasome NLRP3 n'étant pas protégées dans ce modèle d'arthrose. L'ensemble de nos résultats montre que les cristaux BCP sont pathogéniques dans l'arthrose et qu'un inhibiteur de minéralisation tel que le STS ou un inhibiteur de l'interleukine-6 constitueraient des nouvelles thérapies pour l'arthrose. -- Osteoarthritis (OA), the most common degenerative disorder of the joints, results from an imbalance between the breakdown and repair of the cartilage and surrounding articular structures. Joint calcification (essentially due to basic calcium phosphate (BCP) crystal deposition) is a characteristic feature of OA. However, the role of BCP crystal deposition in the pathogenesis of OA remains unclear[1][1]. We first demonstrated that in primary murine chondrocytes exogenous BCP crystals led to IL-6 up-modulation and that BCP crystal signaling pathways involved Syk and PI3 kinases, and also gp130 associated molecules, Jak2 and Stat3. BCP crystals also induced proteoglycan loss and IL-6 expression in human cartilage expiants, (which were significantly reduced by an IL-6 inhibitor). In addition, we found that in chondrocytes exogenous IL-6 promoted calcium-containing crystal formation and up- regulation of genes codifying for proteins involved in the calcification process: the inorganic pyrophosphate transport channel Ank, the calcium channel Annexinö and the sodium/phosphate cotransporter Piti. In vivo, BCP crystals injected into murine knee joints induced cartilage erosion. In the menisectomy model, increasing deposits, identified as BCP crystals, were progressively observed around the joint before cartilage erosion. These deposits strongly correlated with cartilage degradation and IL-6 expression. These results demonstrated that BCP crystals deposition and IL-6 production are mutually reinforcing in the osteoarthritic pathogenic process. We then investigated if we could block the BCP-IL6 loop by either targeting IL-6 production or BCP crystal deposits. Treatment of chondrocytes with anti-IL-6 antibodies or inhibitors of IL-6- signaling pathway significantly inhibited IL-6-induced crystal formation. Similarly, sodium thiosulfate (STS), a well-known systemic calcification inhibitor, decreased crystal deposition as well as HA-induced IL-6 secretion in chondrocytes and, in vivo, it decreased crystal deposits size and cartilage erosion in menisectomized knees. Interestingly, we also found that xanthine-oxidoreductase (XO) inhibitors inhibited both IL-6 production and calcium crystal depositis in chondrocytes. We began to unravel the mechanisms involved in this coordinate modulation of IL-6 and mineralization. STS inhibited Reactive Oxygen Species (ROS) generation and we are currently investigating whether XO represents a major source of ROS in chondrocyte mineralization. Finally, we ruled out that IL-1 activation/signaling plays a role in the murine model of OA induced by menisectomy, as IL-1a/ß, the IL-1 R associated molecule MyD88 and NLRP3 inflammasome deficient mice were not protected in this model of OA. Moreover TLR-1, -2, -4,-6 deficient mice had a phenotype similar to that of wild-type mice. Altogether our results demonstrated a self-amplification loop between BCP crystals deposition and IL-6 production, which represents an aggravating process in OA pathogenesis. As currently prescribed OA drugs are addressing OA symptoms,our results highlight a potential novel treatment strategy whereby inhibitors of calcium- containing crystal formation and IL-6 could be combined to form the basis of a disease modifying treatment and alter the course of OA.

Calcium-Mediated Induction of Paradoxical Growth following Caspofungin Treatment Is Associated with Calcineurin Activation and Phosphorylation in Aspergillus fumigatus.

The echinocandin antifungal drug caspofungin at high concentrations reverses the growth inhibition of Aspergillus fumigatus, a phenomenon known as the "paradoxical effect," which is not consistently observed with other echinocandins (micafungin and anidulafungin). Previous studies of A. fumigatus revealed the loss of the paradoxical effect following pharmacological or genetic inhibition of calcineurin, yet the underlying mechanism is poorly understood. Here, we utilized a codon-optimized bioluminescent Ca(2+) reporter aequorin expression system in A. fumigatus and showed that caspofungin elicits a transient increase in cytosolic free Ca(2+) ([Ca(2+)]c) in the fungus that acts as the initial trigger of the paradoxical effect by activating calmodulin-calcineurin signaling. While the increase in [Ca(2+)]c was also observed upon treatment with micafungin, another echinocandin without the paradoxical effect, a higher [Ca(2+)]c increase was noted with the paradoxical-growth concentration of caspofungin. Treatments with a Ca(2+)-selective chelator, BAPTA [1,2-bis(o-aminophenoxy)ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid], or the L-type Ca(2+) channel blocker verapamil abolished caspofungin-mediated paradoxical growth in both the wild-type and the echinocandin-resistant (EMFR-S678P) strains. Concomitant with increased [Ca(2+)]c levels at higher concentrations of caspofungin, calmodulin and calcineurin gene expression was enhanced. Phosphoproteomic analysis revealed that calcineurin is activated through phosphorylation at its serine-proline-rich region (SPRR), a domain previously shown to be essential for regulation of hyphal growth, only at a paradoxical-growth concentration of caspofungin. Our results indicate that as opposed to micafungin, the increased [Ca(2+)]c at high concentrations of caspofungin activates calmodulin-calcineurin signaling at both a transcriptional and a posttranslational level and ultimately leads to paradoxical fungal growth.

Encapsulation and release characteristics of glibenclamide loaded calcium-alginate beads

The aims of this study were to formulate calcium-alginate beads containing glibenclamide, characterize the resulting microparticles, evaluate the release characteristics of this type of delivery system in an in vitro dissolution test, and compare it with two commercially available trademarks (Daonil® and Glibetab®). We obtained glibenclamide loaded calcium-alginate beads with a rough surface and a particle size between 150-200 µm. For the in vitro dissolution test Daonil® at 45 min showed a Q > 70%, whereas Glibetab® and glibenclamide calcium-alginate beads a Q < 70%; in spite of that glibenclamide calcium-alginate beads showed significant release properties.

Connexin domains relevant to the chemical gating of gap junction channels

Most cells exchange ions and small metabolites via gap junction channels. These channels are made of two hemichannels (connexons), each formed by the radial arrangement of six connexin (Cx) proteins. Connexins span the bilayer four times (M1-M4) and have both amino- and carboxy-termini (NT, CT) at the cytoplasmic side of the membrane, forming two extracellular loops (E1, E2) and one inner (IL) loop. The channels are regulated by gates that close with cytosolic acidification (e.g., CO2 treatment) or increased calcium concentration, possibly via calmodulin activation. Although gap junction regulation is still unclear, connexin domains involved in gating are being defined. We have recently focused on the CO2 gating sensitivity of Cx32, Cx38 and various mutants and chimeras expressed in Xenopus oocytes and studied by double voltage clamp. Cx32 is weakly sensitive to CO2, whereas Cx38 is highly sensitive. A Cx32 chimera containing the second half of the inner loop (IL2) of Cx38 was as sensitive to CO2 as Cx38, indicating that this domain plays an important role. Deletion of CT by 84% did not affect CO2 sensitivity, but replacement of 5 arginines (R) with sparagines (N) at the beginning of CT (C1) greatly enhanced the CO2 sensitivity of Cx32. This suggests that whereas most of CT is irrelevant, positive charges of C1 maintain the CO2 sensitivity of Cx32 low. As a hypothesis we have proposed a model that involves charge interaction between negative residues of the beginning of IL1 and positive residues of either C1 or IL2. Open and closed channels would result from IL1-C1 and IL1-IL2 interactions, respectively

A moderate decrease in temperature inhibits the calcium signaling mechanism(s) of the regulatory volume decrease in chick embryo cardiomyocytes

Chick cardiomyocytes, when submitted to hyposmotic swelling, exhibit a partial regulatory volume decrease (RVD). A Ca2+ influx by stretch-activated channels signals a taurine efflux and the RVD at 37°C. We evaluated the cell's performance at room temperature. Cardiomyocytes isolated and cultured from 11-day-old chick embryos were submitted to a hyposmotic solution (180 mOsm/kg H2O) at 37°C and at room temperature (26°C). Under these conditions we measured the changes in cell volume as well as the intracellular free Ca2+ (using fura-2). During hyposmotic swelling, cells at 37°C displayed a peak relative volume of 1.61 ± 0.03 and recovery to 1.22 ± 0.04 (N = 14), while cells at 26°C presented a peak swell relative volume of 1.74 ± 0.06 and did not recover (1.59 ± 0.09, N = 9). Transient increases in intracellular Ca2+, which are characteristic of the normal RVD, were observed at both temperatures (29.1 ± 4.5% (N = 8) and 115.2 ± 42.8% (N = 5) increase at 37° and 26°C (P<0.05), respectively). A delay in the Ca2+ transient increase was also observed when the cells were at 26°C (109 ± 34 s compared to 38 ± 9 s at 37°C, P<0.05). At room temperature the RVD does not occur because the calcium transient increase, which is an early event in the signaling of the RVD, is delayed. Also, free calcium is not cleared as in the 37°C RVD. In the normal RVD the free calcium returns to baseline levels. The very high and persistent free calcium levels seen at room temperature can lead to unregulated enzyme activities and may promote irreversible injury and cell death.

Calcium antagonism and the vasorelaxation of the rat aorta induced by rotundifolone

The vasorelaxing activity of rotundifolone (ROT), a major constituent (63.5%) of the essential oil of Mentha x villosa, was tested in male Wistar rats (300-350 g). In isolated rat aortic rings, increasing ROT concentrations (0.3, 1, 10, 100, 300, and 500 µg/ml) inhibited the contractile effects of 1 µM phenylephrine and of 80 or 30 mM KCl (IC50 values, reported as means ± SEM = 184 ± 6, 185 ± 3 and 188 ± 19 µg/ml, N = 6, respectively). In aortic rings pre-contracted with 1 µM phenylephrine, the smooth muscle-relaxant activity of ROT was inhibited by removal of the vascular endothelium (IC50 value = 235 ± 7 µg/ml, N = 6). Furthermore, ROT inhibited (pD2 = 6.04, N = 6) the CaCl2-induced contraction in depolarizing medium in a concentration-dependent manner. In Ca2+-free solution, ROT inhibited 1 µM phenylephrine-induced contraction in a concentration-dependent manner and did not modify the phasic contractile response evoked by caffeine (20 mM). In conclusion, in the present study we have shown that ROT produces an endothelium-independent vasorelaxing effect in the rat aorta. The results further indicated that in the rat aorta ROT is able to induce vasorelaxation, at least in part, by inhibiting both: a) voltage-dependent Ca² channels, and b) intracellular Ca2+ release selectively due to inositol 1,4,5-triphosphate activation. Additional studies are required to elucidate the mechanisms underlying ROT-induced relaxation.

Lack of relationship between glycemic control and bone mineral density in type 2 diabetes mellitus

We assessed the effect of chronic hyperglycemia on bone mineral density (BMD) and bone remodeling in patients with type 2 diabetes mellitus. We investigated 42 patients with type 2 diabetes under stable control for at least 1 year, 22 of them with good metabolic control (GMC: mean age = 48.8 ± 1.5 years, 11 females) and 20 with poor metabolic control (PMC: mean age = 50.2 ± 1.2 years, 8 females), and 24 normal control individuals (CG: mean age = 46.5 ± 1.1 years, 14 females). We determined BMD in the femoral neck and at the L2-L4 level (DEXA) and serum levels of glucose, total glycated hemoglobin (HbA1), total and ionic calcium, phosphorus, alkaline phosphatase, follicle-stimulating hormone, intact parathyroid hormone (iPTH), 25-hydroxyvitamin D (25-OH-D), insulin-like growth factor I (IGFI), osteocalcin, procollagen type I C propeptide, as well as urinary levels of deoxypyridinoline and creatinine. HbA1 levels were significantly higher in PMC patients (12.5 ± 0.6 vs 7.45 ± 0.2% for GMC and 6.3 ± 0.9% for CG; P < 0.05). There was no difference in 25-OH-D, iPTH or IGFI levels between the three groups. BMD values at L2-L4 (CG = 1.068 ± 0.02 vs GMC = 1.170 ± 0.03 vs PMC = 1.084 ± 0.02 g/cm²) and in the femoral neck (CG = 0.898 ± 0.03 vs GMC = 0.929 ± 0.03 vs PMC = 0.914 ± 0.03 g/cm²) were similar for all groups. PMC presented significantly lower osteocalcin levels than the other two groups, whereas no significant difference in urinary deoxypyridine was observed between groups. The present results demonstrate that hyperglycemia is not associated with increased bone resorption in type 2 diabetes mellitus and that BMD is not altered in type 2 diabetes mellitus.