Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

The congenital soidum diarrhea and Spint2: from the molecules to the disease

La diarrhée congénitale de sodium est une maladie génétique très rare. Les enfants touchés par cette maladie présentent une diarrhée aqueuse sévère accompagnée d'une perte fécale de sodium et bicarbonates causant une déshydratation hyponatrémique et une acidose métabolique. Des analyses génétiques ont identifié des mutations du gène Spint2 comme cause de cette maladie. Le gène Spint2 code pour un inhibiteur de sérine protéase transmembranaire exprimé dans divers épithéliums tels que ceux du tube digestif ou des tubules rénaux. Le rôle physiologique de Spint2 n'est pas connu. De plus, aucun partenaire physiologique de Spint2 n'a été identifié et le mécanisme d'inhibition par Spint2 nous est peu connu. Le but de ce projet est donc d'obtenir de plus amples informations concernant la fonction et le rôle de Spint2 dans le contexte de la diarrhée congénitale de sodium, cela afin de mieux comprendre la physiopathologie des diarrhées et peut-être d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Un test fonctionnel dans les ovocytes de Xenopus a identifié les sérine protéases transmembranaires CAPI et Tmprssl3 comme potentielles cibles de Spint2 dans la mesure où ces deux protéases n'étaient plus bloquées par le mutant de Spint2 Y163C qui est associé avec la diarrhée congénitale de sodium. Des expériences fonctionnelles et biochimiques plus poussées suggèrent que l'inhibition de Tmprssl3 par Spint2 est le résultat d'une interaction complexe entre ces deux protéines. Les effets des sérine protéases transmembranaires sur l'échangeur Na+-H+ NHE3, qui pourrait être impliqué dans la pathogenèse de la diarrhée congénitale de sodium ont aussi été testés. Un clivage spécifique de NHE3 par la sérine protéase transmembranaire Tmprss3 a été observé lors d'expériences biochimiques. Malheureusement, la pertinence physiologique de ces résultats n'a pas pu être évaluée in vivo, étant donné que le modèle de souris knockout conditionnel de Spint2 que nous avons créé ne montrait une réduction de l'expression de Spint2 que de 50% et aucun phénotype. En résumé, ce travail met en évidence deux nouveaux partenaires possibles de Spint2, ainsi qu'une potentielle régulation de NHE3 par des sérine protéases transmembranaires. Des expériences supplémentaires faites dans des modèles animaux et lignées cellulaires sont requises pour évaluer la pertinence physiologique de ces données et pour obtenir de plus amples informations au sujet de Spint2 et de la diarrhée congénitale de sodium. - The congenital sodium diarrhea is a very rare genetic disease. Children affected by this condition suffer from a severe diarrhea characterized by watery stools with a high fecal loss of sodium and bicarbonates, resulting in hyponatremic dehydration and metabolic acidosis. Genetic analyses have identified mutations in the Spint2 gene as a cause of this disease. The spint2 gene encodes a transmembrane serine protease inhibitor expressed in various epithelial tissues including the gastro-intestinal tract and renal tubules. The physiological role of Spint2 is completely unknown. In addition, physiological partners of Spint2 are still to be identified and the mechanism of inhibition by Spint2 remains elusive. Therefore, the aim of this project was to get insights about the function and the role of Spint2 in the context of the congenital sodium diarrhea in order to better understand the pathophysiology of diarrheas and maybe identify new therapeutic targets. A functional assay in Xenopus oocytes identified the membrane-bound serine proteases CAPI and Tmprssl3 as potential targets of Spint2 because both proteases were no longer inhibited by the mutant Spint2 Y163C that has been associated with the congenital diarrhea. Further functional and biochemical experiments suggested that the inhibition of Tmprssl3 by Spint2 occurs though a complex interaction between both proteins. The effects of membrane-bound serine proteases on the Na+-H+ exchanger NHE3, which has been proposed to be involved in the pathogenesis of the congenital sodium diarrhea, were also tested. A specific cleavage of NHE3 by the membrane-bound serine protease Tmprss3 was observed in biochemical experiments. Unfortunately, the physiological relevance of these results could not be assessed in vivo since the conditional Spint2 knockout mouse model that we generated showed a reduction in Spint2 expression of only 50% and displayed no phenotype. Briefly, this work provides two new potential partners of Spint2 and emphasizes a putative regulation of NHE3 by membrane-bound serine proteases. Further work done in animal models and cell lines is required to assess the physiological relevance of these results and to obtain additional data about Spint2 and the congenital diarrhea.

GLUT2 is a high affinity glucosamine transporter.

When expressed in Xenopus oocytes, GLUT1, 2 and 4 transport glucosamine with V(max) values that are three- to four-fold lower than for glucose. The K(m)s for glucosamine and glucose of GLUT1 and GLUT4 were similar. In contrast, GLUT2 had a much higher apparent affinity for glucosamine than for glucose (K(m)=0.8+/-0.1 mM vs. approximately 17-20 mM). Glucosamine transport by GLUT2 was confirmed in mammalian cells and, using hepatocytes from control or GLUT2-null mice, HgCl(2)-inhibitable glucosamine uptake by liver was shown to be exclusively through GLUT2. These data have implications for glucosamine effects on impaired glucose metabolism and for structure-function studies of transporter sugar binding sites.

Islet-brain1/JNK-interacting protein-1 is required for early embryogenesis in mice.

Islet-brain1/JNK-interacting protein-1 (IB1/JIP-1) is a scaffold protein that organizes the JNK, MKK7, and MLK1 to allow signaling specificity. Targeted disruption of the gene MAPK8IP1 encoding IB1/JIP-1 in mice led to embryonic death prior to blastocyst implantation. In culture, no IB1/JIP-1(-/-) embryos were identified indicating that accelerated cell death occurred during the first cell cycles. IB1/JIP-1 expression was detected in unfertilized oocytes, in spermatozoa, and in different stages of embryo development. Thus, despite the maternal and paternal transmission of the IB1/JIP-1 protein, early transcription of the MAPK8IP1 gene is required for the survival of the fertilized oocytes.

Transcriptional potentiation of the vitellogenin B1 promoter by a combination of both nucleosome assembly and transcription factors: an in vitro dissection.

The Xenopus laevis vitellogenin B1 promoter was assembled into nucleosomes in an oocyte extract. Subsequent RNA polymerase II-dependent transcription from these DNA templates fully reconstituted in chromatin in a HeLa nuclear extract was increased 50-fold compared with naked DNA. Remarkably, under specific conditions, production of a high level of transcripts occurred at very low DNA (1 ng/microliter) and HeLa nuclear protein (1.6 micrograms/microliters) concentrations. When partially reconstituted templates were used, transcription efficiency was intermediate between that of fully reconstituted and naked DNA. These results implicate chromatin in the process of the transcriptional activation observed. Depletion from the oocyte assembly extract of an NF-I-like factor which binds in the promoter region upstream of the TATA box (-114 to -101) or deletion from the promoter of the region interacting with this factor reduced the transcriptional efficiency of the assembled templates by a factor of 5, but transcription of these templates was still 10 times higher than that of naked DNA. Together, these results indicate that the NF-I-like factor participates in the very efficient transcriptional potentiation of the vitellogenin B1 promoter which occurs during nucleosome assembly.

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.

Identification of SPLUNC1's ENaC-inhibitory domain yields novel strategies to treat sodium hyperabsorption in cystic fibrosis airways.

The epithelial sodium channel (ENaC) is responsible for Na+ and fluid absorption across colon, kidney, and airway epithelia. We have previously identified SPLUNC1 as an autocrine inhibitor of ENaC. We have now located the ENaC inhibitory domain of SPLUNC1 to SPLUNC1's N terminus, and a peptide corresponding to this domain, G22-A39, inhibited ENaC activity to a similar degree as full-length SPLUNC1 (∼2.5 fold). However, G22-A39 had no effect on the structurally related acid-sensing ion channels, indicating specificity for ENaC. G22-A39 preferentially bound to the β-ENaC subunit in a glycosylation-dependent manner. ENaC hyperactivity is contributory to cystic fibrosis (CF) lung disease. Addition of G22-A39 to CF human bronchial epithelial cultures (HBECs) resulted in an increase in airway surface liquid height from 4.2±0.6 to 7.9±0.6 μm, comparable to heights seen in normal HBECs, even in the presence of neutrophil elastase. Our data also indicate that the ENaC inhibitory domain of SPLUNC1 may be cleaved away from the main molecule by neutrophil elastase, which suggests that it may still be active during inflammation or neutrophilia. Furthermore, the robust inhibition of ENaC by the G22-A39 peptide suggests that this peptide may be suitable for treating CF lung disease.

Trypsin cleaves acid-sensing ion channel 1a in a domain that is critical for channel gating.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that are members of the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by extracellular acidification. ASICs in the central nervous system have a modulatory role in synaptic transmission and are involved in cell injury induced by acidosis. We have recently demonstrated that ASIC function is regulated by serine proteases. We provide here evidence that this regulation of ASIC function is tightly linked to channel cleavage. Trypsin cleaves ASIC1a with a similar time course as it changes ASIC1a function, whereas ASIC1b, whose function is not modified by trypsin, is not cleaved. Trypsin cleaves ASIC1a at Arg-145, in the N-terminal part of the extracellular loop, between a highly conserved sequence and a sequence that is critical for ASIC1a inhibition by the venom of the tarantula Psalmopoeus cambridgei. This channel domain controls the inactivation kinetics and co-determines the pH dependence of ASIC gating. It undergoes a conformational change during inactivation, which renders the cleavage site inaccessible to trypsin in inactivated channels.

Nedd4-2 modulates renal Na+-Cl- cotransporter via the aldosterone-SGK1-Nedd4-2 pathway.

Regulation of renal Na(+) transport is essential for controlling blood pressure, as well as Na(+) and K(+) homeostasis. Aldosterone stimulates Na(+) reabsorption by the Na(+)-Cl(-) cotransporter (NCC) in the distal convoluted tubule (DCT) and by the epithelial Na(+) channel (ENaC) in the late DCT, connecting tubule, and collecting duct. Aldosterone increases ENaC expression by inhibiting the channel's ubiquitylation and degradation; aldosterone promotes serum-glucocorticoid-regulated kinase SGK1-mediated phosphorylation of the ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 on serine 328, which prevents the Nedd4-2/ENaC interaction. It is important to note that aldosterone increases NCC protein expression by an unknown post-translational mechanism. Here, we present evidence that Nedd4-2 coimmunoprecipitated with NCC and stimulated NCC ubiquitylation at the surface of transfected HEK293 cells. In Xenopus laevis oocytes, coexpression of NCC with wild-type Nedd4-2, but not its catalytically inactive mutant, strongly decreased NCC activity and surface expression. SGK1 prevented this inhibition in a kinase-dependent manner. Furthermore, deficiency of Nedd4-2 in the renal tubules of mice and in cultured mDCT(15) cells upregulated NCC. In contrast to ENaC, Nedd4-2-mediated inhibition of NCC did not require the PY-like motif of NCC. Moreover, the mutation of Nedd4-2 at either serine 328 or 222 did not affect SGK1 action, and mutation at both sites enhanced Nedd4-2 activity and abolished SGK1-dependent inhibition. Taken together, these results suggest that aldosterone modulates NCC protein expression via a pathway involving SGK1 and Nedd4-2 and provides an explanation for the well-known aldosterone-induced increase in NCC protein expression.

Temporal quantification of MAPK induced expression in single yeast cells.

The quantification of gene expression at the single cell level uncovers novel regulatory mechanisms obscured in measurements performed at the population level. Two methods based on microscopy and flow cytometry are presented to demonstrate how such data can be acquired. The expression of a fluorescent reporter induced upon activation of the high osmolarity glycerol MAPK pathway in yeast is used as an example. The specific advantages of each method are highlighted. Flow cytometry measures a large number of cells (10,000) and provides a direct measure of the dynamics of protein expression independent of the slow maturation kinetics of the fluorescent protein. Imaging of living cells by microscopy is by contrast limited to the measurement of the matured form of the reporter in fewer cells. However, the data sets generated by this technique can be extremely rich thanks to the combinations of multiple reporters and to the spatial and temporal information obtained from individual cells. The combination of these two measurement methods can deliver new insights on the regulation of protein expression by signaling pathways.

Abundance and diversity of soil mites of fragmented habitats in a biosphere reserve in Southern Nigeria

Soil samples were collected from the top 7.5 cm of soil in a Strict Natural Reserve (SNR), a surrounding buffer zone, a cassava farm and matured plantations of Gmelina, teak, and pine, so as to determine if plantation establishment and intensive cultivation affect the density and diversity of soil mites. Altogether, 41 taxonomic groups of mites were identified. The diversity and densities of mites in within the SNR, the buffer zone and the Gmelina were more than the diversity and densities in the cassava farm, teak and pine plantations. Each plantation had its own unique community structure which was different from the community structure in the SNR plot. The SNR plot and Gmelina were dominated by detritivorous cryptostigmatid mites unlike teak and pine which were dominated by predatory mesostigmatid and prostigmatid mites respectively. Low cryptostigmatid mite densities in the plantations and cassava farm were seen as a consequence of low fertility status of the soil, the evidence of which was revealed by soil pH and organic matter data.

Prospective randomized study of two cryopreservation policies avoiding embryo selection: the pronucleate stage leads to a higher cumulative delivery rate than the early cleavage stage.

OBJECTIVE: To compare the cumulative live birth rates obtained after cryopreservation of either pronucleate (PN) zygotes or early-cleavage (EC) embryos. DESIGN: Prospective randomized study. SETTING: University hospital. PATIENT(S): Three hundred eighty-two patients, involved in an IVF/ICSI program from January 1993 to December 1995, who had their supernumerary embryos cryopreserved either at the PN (group I) or EC (group II) stage. For 89 patients, cryopreservation of EC embryos was canceled because of poor embryo development (group III). Frozen-thawed embryo transfers performed up to December 1998 were considered. MAIN OUTCOME MEASURE(S): Age, oocytes, zygotes, cryopreserved and transferred embryos, damage after thawing, cumulative embryo scores, implantation, and cumulative live birth rates. RESULT(S): The clinical pregnancy and live birth rates were similar in all groups after fresh embryo transfers. Significantly higher implantation (10.5% vs. 5.9%) and pregnancy rates (19.5% vs. 10.9%; P< or = .02 per transfer after cryopreserved embryo transfers were obtained in group I versus group II, leading to higher cumulative pregnancy (55.5% vs. 38.6%; P < or = .002 and live birth rates (46.9% vs. 27.7%; P< or = .0001.Conclusion(s): The transfer of a maximum of three unselected embryos and freezing of all supernumerary PN zygotes can be safely done with significantly higher cumulative pregnancy chances than cryopreserving at a later EC stage.

High quantitative and no molecular differentiation of a freshwater snail (Galba truncatula) between temporary and permanent water habitats.

We investigate the variation in quantitative and molecular traits in the freshwater snail Galba truncatula, from permanent and temporary water habitats. Using a common garden experiment, we measured 20 quantitative traits and molecular variation using seven microsatellites in 17 populations belonging to these two habitats. We estimated trait means in each habitat. We also estimated the distributions of overall genetic quantitative variation (QST), and of molecular variation (FST), within and between habitats. Overall, we observed a lack of association between molecular and quantitative variance. Among habitats, we found QST>FST, an indication of selection for different optima. Individuals from temporary water habitat matured older, at a larger size and were less fecund than individuals from permanent water habitat. We discuss these findings in the light of several theories for life-history traits evolution.

N-Glycosylation and conserved cysteine residues in RAMP3 play a critical role for the functional expression of CRLR/RAMP3 adrenomedullin receptor.

The calcitonin receptor-like receptor (CRLR) and receptor activity modifying protein-3 (RAMP3) can assemble into a CRLR/RAMP3 heterodimeric receptor that exhibits the characteristics of a high affinity adrenomedullin receptor. RAMP3 participates in adrenomedullin (AM) binding via its extracellular N-terminus characterized by the presence of six highly conserved cysteine residues and four N-glycosylation consensus sites. Here, we assessed the usage of these conserved residues in cotranslational modifications of RAMP3 and addressed their role in functional expression of the CRLR/RAMP3 receptor. Using a Xenopus oocyte expression system, we show that (i) RAMP3 is assembled with CRLR as a multiple N-glycosylated species in which two, three, or four consensus sites are used; (ii) elimination of all N-glycans in RAMP3 results in a significant inhibition of receptor [(125)I]AM binding and an increase in the EC(50) value for AM; (iii) several lines of indirect evidence indicate that each of the six cysteines is involved in disulfide bond formation; (iv) when all cysteines are mutated to serines, RAMP3 is N-glycosylated at all four consensus sites, suggesting that disulfide bond formation inhibits N-gylcosylation; and (v) elimination of all cysteines abolishes adrenomedullin binding and leads to a complete loss of receptor function. Our data demonstrate that cotranslational modifications of RAMP3 play a critical role in the function of the CRLR/RAMP3 adrenomedullin receptor.

Vertebrate and nematode genes coding for yolk proteins are derived from a common ancestor.

One of the most obvious characteristics of the egg cells of oviparous animals is their large size resulting to a major extent from the deposition of nutritional reserves, mainly constituted of yolk proteins. In general, these are derived from a precursor called vitellogenin, which undergoes posttranslational modifications during secretion and during transport into and storage within the oocytes. Comparative analysis of the structural organization of the vitellogenin gene and of its product in different species shows that the vitellogenin gene is very ancient and that in vertebrates the gene may have more resemblance to the earliest gene than in invertebrates.