Hypoxia-induced inhibition of epithelial Na(+) channels in the lung. Role of Nedd4-2 and the ubiquitin-proteasome pathway.

Transepithelial sodium transport via alveolar epithelial Na(+) channels (ENaC) and Na(+),K(+)-ATPase constitutes the driving force for removal of alveolar edema fluid. Alveolar hypoxia associated with pulmonary edema may impair ENaC activity and alveolar Na(+) absorption through a decrease of ENaC subunit expression at the apical membrane of alveolar epithelial cells (AECs). Here, we investigated the mechanism(s) involved in this process in vivo in the β-Liddle mouse strain mice carrying a truncation of β-ENaC C-terminus abolishing the interaction between β-ENaC and the ubiquitin protein-ligase Nedd4-2 that targets the channel for endocytosis and degradation and in vitro in rat AECs. Hypoxia (8% O2 for 24 h) reduced amiloride-sensitive alveolar fluid clearance by 69% in wild-type mice but had no effect in homozygous mutated β-Liddle littermates. In vitro, acute exposure of AECs to hypoxia (0.5-3% O2 for 1-6 h) rapidly decreased transepithelial Na(+) transport as assessed by equivalent short-circuit current Ieq and the amiloride-sensitive component of Na(+) current across the apical membrane, reflecting ENaC activity. Hypoxia induced a decrease of ENaC subunit expression in the apical membrane of AECs with no change in intracellular expression and induced a 2-fold increase in α-ENaC polyubiquitination. Hypoxic inhibition of amiloride-sensitive Ieq was fully prevented by preincubation with the proteasome inhibitors MG132 and lactacystin or with the antioxidant N-acetyl-cysteine. Our data strongly suggest that Nedd4-2-mediated ubiquitination of ENaC leading to endocytosis and degradation of apical Na(+) channels is a key feature of hypoxia-induced inhibition of transepithelial alveolar Na(+) transport.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its regulator CAP1/Prss8 in colon

Dans les cellules épithéliales sensibles à l'aldostérone, le canal sodique épithélial (ENaC) joue un rôle critique dans le contrôle de l'équilibre sodique, le volume sanguin, et la pression sanguine. Le rôle d'ENaC est bien caractérisé dans le rein et les poumons, cependant le rôle d'ENaC et son régulateur positif la protéase activatrice de canal 1 (CAP1 /Prss8) sur le transport sodique dans le côlon reste en grande partie inconnu. Nous avons étudié l'importance d'ENaC et de CAPMPrss8 dans le côlon. Les souris déficientes pour la sous- unité aENaC (souris ScnnlaKO) dans les cellules superficielles intestinales étaient viables et ne montraient pas de létalité embryonnaire ou postnatale. Sous diète normale (RS) ou pauvre en sodium (LS), la différence de potentiel rectale sensible à l'amiloride (APDamii) était drastiquement diminuée et son rythme circadien atténué. Sous diète normale (RS) ou diète riche en sodium (HS) ou fort chargement de potassium, le sodium et le potassium plasmatique et urinaire n'étaient pas significativement changé. Cependant, sous LS, les souris Senni aK0 perdaient des quantités significativement augmentées de sodium dans leurs fèces, accompagnées par de très hauts taux d'aldostérone plasmatique et une rétention urinaire en sodium augmentée. Les souris déficientes en CAPl/PmS (Prss8K0) dans les cellules superficielles intestinales étaient viables et ne montraient pas de létalité embryonnaire ou postnatale. Sous diètes RS et HS cependant, les souris Prss8KO montraient une diminution significative du APDamil dans l'après-midi, mais le rythme circadien était maintenu. Sous diète LS, la perte de sodium par les fèces était accompagnée par des niveaux d'aldostérone plasmatiques plus élevés. Par conséquent, nous avons identifié la protéase activatrice de canal CAP 1 IPrss8 comme un régulateur important d'ENaC dans le côlon in vivo. De plus, nous étudions l'importance d'ENaC et de CAPIIPrss8 dans les conditions pathologiques comme les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI). Le résultat préliminaire out montre qu'une déficience d'Prss8 mènait à la détérioration de la colite induite par le DSS comparé aux modèles contrôles respectifs. En résumé, l'étude a montré que sous restriction de sel, l'absence d'ENaC dans Pépithélium de surface du côlon était compensée par 1'activation du système rénine-angiotensine- aldostérone (RAAS) dans le rein. Ceci a mené à un pseudohypoaldostéronisme de type I spécifique au côlon avec résistance aux minéralocorticoïdes sans signe d'altération de rétention de potassium. - In aldosterone-responsive epithelial cells of kidney and colon, the epithelial sodium channel (ENaC) plays a critical role in the control of sodium balance, blood volume, and blood pressure. The role of ENaC is well characterized in kidney and lung, whereas role of ENaC and its positive regulator channel-activating protease 1 (CAPl/PrasS) on sodium transport in colon is largely unknown. We have investigated the importance of ENaC and CAPI/Prss8 in colon for sodium and potassium balance. Mice lacking the aENaC subunit (Scnnla mice) in intestinal superficial cells were viable and did not show any fetal or perinatal lethality. Under regular (RS) or low salt (LS) diet, the amiloride sensitive rectal potential difference (APDamii) was drastically decreased and its circadian rhythm blunted. Under regular salt (RS) or high salt (HS) diets or under potassium loading, plasma and urinary sodium and potassium were not significantly changed. However, upon LS, the ScnnlaK0 mice lost significant amounts of sodium in their feces, accompanied by very high plasma aldosterone and increased urinary sodium retention. Mice lacking the CAPl/PrasS (Prss8K0) in intestinal superficial cells were viable and did not show any fetal or perinatal lethality. Upon RS and HS diets, however, Prss8K0 exhibited a significantly reduced APDamii in the afternoon, but its circadian rhythm was maintained. Upon LS diet, sodium loss through feces was accompanied by higher plasma aldosterone levels. Thus, we have identified the channel-activating protease CAPl/Prss8 as an important in vivo regulator of ENaC in colon. Furthermore, we are investigating the importance of ENaC and CAPI/Prss8 in pathological conditions like inflammatory bowel disease (IBD). Preliminary data showed that PmS-deficiency led to worsening of DSS-induced colitis as compared to their respective controls. Overall, the present study has shown that under salt restriction, the absence of ENaC in colonic surface epithelium was compensated by the activation of renin-angiotensin- aldosterone (RAAS) system in the kidney. This led to a colon specific pseudohypoaldosteroni sm type 1 with mineralocorticoid resistance without evidence of impaired potassium retention.

Scnn1 sodium channel gene family in genetically engineered mice.

The amiloride-sensitive epithelial sodium channel is the limiting step in salt absorption. In mice, this channel is composed of three subunits (alpha, beta, and gamma), which are encoded by different genes (Scnn1a, Scnn1b, and Scnn1c, respectively). The functions of these genes were recently investigated in transgenic (knockout) experiments, and the absence of any subunit led to perinatal lethality. More defined phenotypes have been obtained by introducing specific mutations or using transgenic rescue experiments. In this report, these approaches are summarized and a current gene-targeting strategy to obtain conditional inactivation of the channel is illustrated. This latter approach will be indispensable for the investigation of channel function in a wide variety of organ systems.

Conditional gene targeting of the ENaC subunit genes Scnn1b and Scnn1g.

Epithelial sodium channels (ENaC) are members of the degenerin/ENaC superfamily of non-voltage-gated, highly amiloride-sensitive cation channels that are composed of three subunits (alpha-, beta-, and gamma-ENaC). Since complete gene inactivation of the beta- and gamma-ENaC subunit genes (Scnn1b and Scnn1g) leads to early postnatal death, we generated conditional alleles and obtained mice harboring floxed and null alleles for both gene loci. Using quantitative RT-PCR analysis, we showed that the introduction of the loxP sites did not interfere with the mRNA transcript expression level of the Scnn1b and Scnn1g gene locus, respectively. Upon a regular and salt-deficient diet, both beta- and gamma-ENaC floxed mice showed no difference in their mRNA transcript expression levels, plasma electrolytes, and aldosterone concentrations as well as weight changes compared with control animals. These mice can now be utilized to dissect the role of ENaC function in classical and nonclassic target organs/tissues.

alphaENaC-mediated lithium absorption promotes nephrogenic diabetes insipidus.

Lithium-induced nephrogenic diabetes insipidus (NDI) is accompanied by polyuria, downregulation of aquaporin 2 (AQP2), and cellular remodeling of the collecting duct (CD). The amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) is a likely candidate for lithium entry. Here, we subjected transgenic mice lacking αENaC specifically in the CD (knockout [KO] mice) and littermate controls to chronic lithium treatment. In contrast to control mice, KO mice did not markedly increase their water intake. Furthermore, KO mice did not demonstrate the polyuria and reduction in urine osmolality induced by lithium treatment in the control mice. Lithium treatment reduced AQP2 protein levels in the cortex/outer medulla and inner medulla (IM) of control mice but only partially reduced AQP2 levels in the IM of KO mice. Furthermore, lithium induced expression of H(+)-ATPase in the IM of control mice but not KO mice. In conclusion, the absence of functional ENaC in the CD protects mice from lithium-induced NDI. These data support the hypothesis that ENaC-mediated lithium entry into the CD principal cells contributes to the pathogenesis of lithium-induced NDI.

In situ fluorescence imaging of glutamate-evoked mitochondrial Na+ responses in astrocytes.

Astrocytes can experience large intracellular Na+ changes following the activation of the Na+-coupled glutamate transport. The present study investigated whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Mitochondrial Na+ (Na+(mit)) changes were monitored using the Na+-sensitive fluorescent probe CoroNa Red (CR) in intact primary cortical astrocytes, as opposed to the classical isolated mitochondria preparation. The mitochondrial localization and Na+ sensitivity of the dye were first verified and indicated that it can be safely used as a selective Na+(mit) indicator. We found by simultaneously monitoring cytosolic and mitochondrial Na+ using sodium-binding benzofuran isophthalate and CR, respectively, that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are transmitted to mitochondria. The resting Na+(mit) concentration was estimated at 19.0 +/- 0.8 mM, reaching 30.1 +/- 1.2 mM during 200 microM glutamate application. Blockers of conductances potentially mediating Na+ entry (calcium uniporter, monovalent cation conductances, K+(ATP) channels) were not able to prevent the Na+(mit) response to glutamate. However, Ca2+ and its exchange with Na+ appear to play an important role in mediating mitochondrial Na+ entry as chelating intracellular Ca2+ with BAPTA or inhibiting Na+/Ca2+ exchanger with CGP-37157 diminished the Na+(mit) response. Moreover, intracellular Ca2+ increase achieved by photoactivation of caged Ca2+ also induced a Na+(mit) elevation. Inhibition of mitochondrial Na/H antiporter using ethylisopropyl-amiloride caused a steady increase in Na+(mit) without increasing cytosolic Na+, indicating that Na+ extrusion from mitochondria is mediated by these exchangers. Thus, mitochondria in intact astrocytes are equipped to efficiently sense cellular Na+ signals and to dynamically regulate their Na+ content.

Protease modulation of the activity of the epithelial sodium channel expressed in Xenopus oocytes.

We have investigated the effect of extracellular proteases on the amiloride-sensitive Na+ current (INa) in Xenopus oocytes expressing the three subunits alpha, beta, and gamma of the rat or Xenopus epithelial Na+ channel (ENaC). Low concentrations of trypsin (2 microg/ml) induced a large increase of INa within a few minutes, an effect that was fully prevented by soybean trypsin inhibitor, but not by amiloride. A similar effect was observed with chymotrypsin, but not with kallikrein. The trypsin-induced increase of INa was observed with Xenopus and rat ENaC, and was very large (approximately 20-fold) with the channel obtained by coexpression of the alpha subunit of Xenopus ENaC with the beta and gamma subunits of rat ENaC. The effect of trypsin was selective for ENaC, as shown by the absence of effect on the current due to expression of the K+ channel ROMK2. The effect of trypsin was not prevented by intracellular injection of EGTA nor by pretreatment with GTP-gammaS, suggesting that this effect was not mediated by G proteins. Measurement of the channel protein expression at the oocyte surface by antibody binding to a FLAG epitope showed that the effect of trypsin was not accompanied by an increase in the channel protein density, indicating that proteolysis modified the activity of the channel present at the oocyte surface rather than the cell surface expression. At the single channel level, in the cell-attached mode, more active channels were observed in the patch when trypsin was present in the pipette, while no change in channel activity could be detected when trypsin was added to the bath solution around the patch pipette. We conclude that extracellular proteases are able to increase the open probability of the epithelial sodium channel by an effect that does not occur through activation of a G protein-coupled receptor, but rather through proteolysis of a protein that is either a constitutive part of the channel itself or closely associated with it.

Regulation of sodium transport in the cortical collecting duct : physiological role of GILZ in vitro and in vivo : characterisation of Na+ transport in the mCCDcl1 cell line

SUMMARY Regulation of sodium excretion by the kidney is a key mechanism in the long term regulation of blood pressure, and when altered it constitutes a risk factor for the appearance of arterial hypertension. Aldosterone, which secretion depends upon salt intake in the diet, is a steroid hormone that regulates sodium reabsorption in the distal part of the nephron (functional unit of the kidney) by modulating gene transcription. It has been shown that it can act synergistically with the peptidic hormone insulin through the interaction of their signalisation pathways. Our work consisted of two distinct parts: 1) the in vitro and in vivo characterisation of Glucocorticoid-Induced Leucine Zipper (GILZ) (an aldosterone-induced gene) mechanism of action; 2) the in vitro characterisation of insulin mechanism of action and its interaction with aldosterone. GILZ mRNA, coded by the TSC22D3 gene, is strongly induced by aldosterone in the cell line of principal cells of the cortical collecting duct (CCD) mpkCCDc14, suggesting that GILZ is a mediator of aldosterone response. Co-expression of GILZ and the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC in vitro in the Xenopus oocyte expression system showed that GILZ has no direct effect on the ENaC-mediated Na+ current in basal conditions. To define the role of GILZ in the kidney and in other organs (colon, heart, skin, etc.), a conditional knock-out mouse is being produced and will allow the in vivo study of its role. Previous data showed that insulin induced a transepithelial sodium transport at supraphysiological concentrations. Insulin and the insulin-like growth factor 1 (IGF-1) are able to bind to each other receptor with an affinity 50 to 100 times lower than to their cognate receptor. Our starting hypothesis was that the insulin effect observed at these supraphysiological concentrations is actually mediated by the IGF receptor type 1 (IGF-1R). In a new cell line that presents all the characteristics of the principal cells of the CCD (mCCDc11) we have shown that both insulin and IGF-1 induce a physiologically significant increase of Na+ transport through the activation of IGF-1R. Aldosterone and insulin/IGF-1 have an additive effect on Na+ transport, through the activation of the PI3-kinase (PI3-K) pathway and the phosphorylation of the serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) by the IGF-1R, and the induction of Sgk1 expression by aldosterone. Thus, Sgk1 integrates IGF-1/insulin and aldosterone effects. We suggest that IGF-1 is physiologically relevant in the modulation of sodium balance, while insulin can only regulate Na+ transport at supraphysiological conditions. Both hormones would bind to the IGF-1R and induce Na+ transport by activating the PI3-K PDK1/2 - Sgk1 pathway. We have shown for the first time that Sgk1 is expressed and phosphorylated in principal cells of the CCD in basal conditions, although the mechanism that maintains Sgk1 phosphorylation is not known. This new role for IGF-1 suggests that it could be a salt susceptibility gene. In effect, IGF-1 stimulates Na+ and water transport in the kidney in vivo. Moreover, 35 % of the acromegalic patients (overproduction of growth hormone and IGF-1) are hypertensives (higher proportion than in normal population), and genetic analysis suggest a link between the IGF-1 gene locus and blood pressure. RÉSUMÉ La régulation de l'excrétion rénale de sodium (Na+) joue un rôle principal dans le contrôle à long terme de la pression sanguine, et ses altérations constituent un facteur de risque de l'apparition d'une hypertension artérielle. L'aldosterone, dont la sécrétion dépend de l'apport en sel dans la diète, est une hormone stéroïdienne qui régule la réabsorption de Na+ dans la partie distale du nephron (unité fonctionnelle du rein) en contrôlant la transcription de gènes. Elle peut agir de façon synergistique avec l'hormone peptidique insuline, probablement via l'interaction de leurs voies de signalisation cellulaire. Le but de notre travail comportait deux volets: 1) caractériser in vitro et in vivo le mécanisme d'action du Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ) (un gène induit par l'aldosterone); 2) caractériser in vitro le mécanisme d'action de l'insuline et son interaction avec l'aldosterone. L'ARNm de GILZ, codé par le gène TSC22D3, est induit par l'aldosterone dans la lignée cellulaire de cellules principales du tubule collecteur cortical (CCD) mpkCCDc14, suggérant que GILZ est un médiateur potentiel de la réponse à l'aldosterone. La co-expression in vitro de GILZ et du canal à Na+ sensible à l'amiloride ENaC dans le système d'expression de l'oocyte de Xénope a montré que GILZ n'a pas d'effet sur les courants sodiques véhiculées par ENaC en conditions basales. Une souris knock-out conditionnelle de GILZ est en train d'être produite et permettra l'étude in vivo de son rôle dans le rein et d'autres organes. Des expériences préliminaires ont montré que l'insuline induit un transport transépithelial de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. L'insuline et l'insulin-like growth factor 1 (IGF-1) peuvent se lier à leurs récepteurs réciproques avec une affinité 50 à 100 fois moindre qu'à leur propre récepteur. Nous avons donc proposé que l'effet de l'insuline soit médié par le récepteur à l'IGF type 1 (IGF-1R). Dans une nouvelle lignée cellulaire qui présente toutes les caractéristiques des cellules principales du CCD (mCCDc11) nous avons montré que les deux hormones induisent une augmentation physiologiquement significative du transport du Na+ par l'activation des IGF-1 R. Aldosterone et insuline/IGF-1 ont un effet additif sur le transport de Na+, via l'activation de la voie de la PI3-kinase et la phosphorylation de la serum- and glucocorticoid-induced kinase 1 (Sgk1) par l'IGF-1R, dont l'expression est induite par l'aldosterone. Sgk1 intègre les effets de l'insuline et l'aldosterone. Nous proposons que l'IGF-1 joue un rôle dans la modulation physiologique de la balance sodique, tandis que l'insuline régule le transport de Na+ à des concentrations supraphysiologiques. Les deux hormones agissent en se liant à l'IGF-1R et induisent le transport de Na+ en activant la cascade de signalisation PI3-K - PDK1/2 - Sgk1. Nous avons montré pour la première fois que Sgk1 est exprimée et phosphorylée dans des conditions basales dans les cellules principales du CCD, mais le mécanisme qui maintient sa phosphorylation n'est pas connu. Ce nouveau rôle pour l'IGF-1 suggère qu'il pourrait être un gène impliqué de susceptibilité au sel. Aussi, l'IGF-1 stimule le transport rénal de Na+ in vivo. De plus, 35 % des patients atteints d'acromégalie (surproduction d'hormone de croissance et d'IGF-1) sont hypertensifs (prévalence plus élevée que la population normale), et des analyses génétiques suggèrent un lien entre le locus du gène de l'IGF-1 et la pression sanguine. RÉSUMÉ GRAND PUBLIC Nos ancêtres se sont génétiquement adaptés pendant des centaines de millénaires à un environnement pauvre en sel (chlorure de sodium) dans la savane équatoriale, où ils consommaient moins de 0,1 gramme de sel par jour. On a commencé à ajouter du sel aux aliments avec l'apparition de l'agriculture (il y a 5000 à 10000 années), et aujourd'hui une diète omnivore, qui inclut des plats préparés, contient plusieurs fois la quantité de sodium nécessaire pour notre fonction physiologique normale (environ 10 grammes par jour). Le corps garde sa concentration constante dans le sang en s'adaptant à une consommation très variable de sel. Pour ceci, il module son excrétion soit directement, soit en sécrétant des hormones régulatrices. Le rein joue un rôle principal dans cette régulation puisque l'excrétion urinaire de sel change selon la diète et peut aller d'une quantité dérisoire à plus de 36 grammes par jour. L'attention qu'on prête au sel est liée à sa relation avec l'hypertension essentielle. Ainsi, le contrôle rénal de l'excrétion de sodium et d'eau est le principal mécanisme dans la régulation de la pression sanguine, et une ingestion excessive de sel pourrait être l'un des facteurs-clé déclenchant l'apparition d'un phénotype hypertensif. L'hormone aldosterone diminue l'excrétion de sodium par le rein en modulant l'expression de gènes qui pourraient être impliqués dans la sensibilité au sel. Dans une lignée cellulaire de rein l'expression du gène TSC22D3, qui se traduit en la protéine Glucocorticoid Induced Leucine Zipper (GILZ), est fortement induite par l'aldosterone. Ceci suggère que GILZ est un médiateur potentiel de l'effet de l'aldosterone, et pourrait être impliqué dans la sensibilité au sel. Pour analyser la fonction de GILZ dans le rein plusieurs approches ont été utilisées. Par exemple, une souris dans laquelle GILZ est spécifiquement inactivé dans le rein est en train d'être produite et permettra l'étude du rôle de GILZ dans l'organisme. De plus, on a montré que GILZ, en conditions basales, n'a pas d'effet direct sur la protéine transportant le sodium à travers la membrane des cellules, le canal sodique épithélial ENaC. On a aussi essayé de trouver des protéines qui interagissent directement avec GILZ utilisant une technique appelée du « double-hybride dans la levure », mais aucun candidat n'a émergé. Des études ont montré que, à de hautes concentrations, l'insuline peut aussi diminuer l'excrétion de sodium. A ces concentrations, elle peut activer son récepteur spécifique, mais aussi le récepteur d'une autre hormone, l'Insulin-Like Growth Factor 1 (IGF-1). En plus, l'infusion d'IGF-1 augmente la rétention rénale de sodium et d'eau, et des mutations du gène codant pour l'IGF-1 sont liées aux différents niveaux de pression sanguine. On a utilisé une nouvelle lignée cellulaire de rein développée dans notre laboratoire, appelée mCCDc11, pour analyser l'importance relative des deux hormones dans l'induction du transport de sodium. On a montré que les deux hormones induisent une augmentation significative du transport de sodium par l'activation de récepteurs à l'IGF-1 et non du récepteur à l'insuline. On a montré qu'à l'intérieur de la cellule leur activation induit une augmentation du transport sodique par le biais du canal ENaC en modifiant la quantité de phosphates fixés sur la protéine Serumand Glucocorticoid-induced Kinase 1 (Sgk1). On a finalement montré que l'IGF-1 et l'aldosterone ont un effet additif sur le transport de sodium en agissant toutes les deux sur Sgk1, qui intègre leurs effets dans le contrôle du transport de sodium dans le rein.

The epidthelial sodium channel ENaC and its regulators in the epidermal permeability barrier function

The highly amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC is well known to be involved in controlling whole body sodium homeostasis and lung liquid clearance. ENaC expression has also been detected in the skin of amphibians and mammals. Mice lacking ENaC expression lose rapidly weight associated with an epidermal barrier defect that develops following birth. This dehydration is accompanied with a highly abnormal lipid matrix composition and an impaired skin surface acidification. This strongly suggests a role of ENaC in the maturation of barrier function rather than in the prenatal generation of the barrier, and may be as such an important modulator for skin hydration. In parallel, gene targeting experiments of regulators of ENaC activity, membrane serine proteases, also termed channel activating proteases, like CAP1/Prss8 and matriptase/MT-SP1 by themselves have been shown to be crucial for the epidermal barrier function. In our review, we mainly focus on the role of ENaC and its regulators in the skin and discuss their importance in the epidermal permeability barrier function.

Inhibition of bicarbonate transport protects embryonic heart against reoxygenation-induced dysfunction.

It has not been well established whether the mechanisms participating in pH regulation in the anoxic-reoxygenated developing myocardium resemble those operating in the adult. We have specially examined the importance of Na+/H+ exchange (NHE) and HCO3-dependent transports in cardiac activity after changes in extracellular pH (pHo). Spontaneously contracting hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to single or repeated anoxia (1 min) followed by reoxygenation (10 min). The chronotropic, dromotropic and inotropic responses of the hearts were determined in standard HCO3- buffer at pHo 7.4 and at pHo 6.5 (hypercapnic acidosis). In distinct experiments, acidotic anoxia preceded reoxygenation at pHo 7.4. NHE was blocked with amiloride derivative HMA (1 micro mol/l) and HCO3-dependent transports were inactivated by replacement of HCO3 or blockade with stilbene derivative DIDS (100 micro mol/l). Anoxia caused transient tachycardia, depressed mechanical function and induced contracture. Reoxygenation temporarily provoked cardiac arrest, atrio-ventricular (AV) block, arrhythmias and depression of contractility. Addition of DIDS or substitution of HCO3 at pHo 7.4 had the same effects as acidosis per se, i.e. shortened contractile activity and increased incidence of arrhythmias during anoxia, prolonged cardioplegia and provoked arrhythmias at reoxygenation. Under anoxia at pHo 6.5/reoxygenation at pHo 7.4, cardioplegia, AV block and arrhythmias were all markedly prolonged. Interestingly, in the latter protocol, DIDS suppressed AV block and arrhythmias during reoxygenation, whereas HMA had no effect. Thus, intracellular pH regulation in the anoxic-reoxygenated embryonic heart appears to depend predominantly on HCO3 availability and transport. Furthermore, pharmacological inhibition of anion transport can protect against reoxygenation-induced dysfunction.

On the molecular basis of ion permeation in the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na+ channel (ENaC) is highly selective for Na+ and Li+ over K+ and is blocked by the diuretic amiloride. ENaC is a heterotetramer made of two alpha, one beta, and one gamma homologous subunits, each subunit comprising two transmembrane segments. Amino acid residues involved in binding of the pore blocker amiloride are located in the pre-M2 segment of beta and gamma subunits, which precedes the second putative transmembrane alpha helix (M2). A residue in the alpha subunit (alphaS589) at the NH2 terminus of M2 is critical for the molecular sieving properties of ENaC. ENaC is more permeable to Li+ than Na+ ions. The concentration of half-maximal unitary conductance is 38 mM for Na+ and 118 mM for Li+, a kinetic property that can account for the differences in Li+ and Na+ permeability. We show here that mutation of amino acid residues at homologous positions in the pre-M2 segment of alpha, beta, and gamma subunits (alphaG587, betaG529, gammaS541) decreases the Li+/Na+ selectivity by changing the apparent channel affinity for Li+ and Na+. Fitting single-channel data of the Li+ permeation to a discrete-state model including three barriers and two binding sites revealed that these mutations increased the energy needed for the translocation of Li+ from an outer ion binding site through the selectivity filter. Mutation of betaG529 to Ser, Cys, or Asp made ENaC partially permeable to K+ and larger ions, similar to the previously reported alphaS589 mutations. We conclude that the residues alphaG587 to alphaS589 and homologous residues in the beta and gamma subunits form the selectivity filter, which tightly accommodates Na+ and Li+ ions and excludes larger ions like K+.

Génération d'une souris dépourvue du gène VIT32 de manière conditionnelle: étude du phénotype rénal chez les souris dépourvues de RGS2

Résumé Dans le rein, la vasopressine possède un rôle essentiel dans la régulation fine du transport d'eau et participe au contrôle de la réabsorption du sodium. Cette action est conduite par l'activation du récepteur à la vasopressine V2R situé dans l'anse de Henle, dans le tubule connecteur et dans le canal collecteur du néphron des rongeurs et conduit à la formation d'AMPc entraînant un mécanisme d'action caractérisé par deux phases distinctes. Le premier effet de la vasopressine est non génomique et a lieu rapidement après l'activation du récepteur, la deuxième phase est plus tardive et possède la caractéristique de moduler la transcription d'un réseau de gènes. Parmi ces gènes, plusieurs sont directement impliqués dans le transport d'eau et de sodium, comme l'Aqp2 et 3, ENaC et la Na,K-ATPase. L'identification des effets de la voie de signalisation de la vasopressine représente un point crucial pour la compréhension des mécanismes moléculaires de la réabsorption de l'eau et du sodium dans le néphron. L'analyse en série de l'expression de gènes (SAGE) réalisée en 2001 dans notre laboratoire a permis de caractériser le transcriptome dépendant de la vasopressine dans la lignée cellulaire mpkCCDc14,a dérivée du canal collecteur cortical (CCD) de souris. Deux des transcrits induits par la vasopressine (VIT) ont fait l'objet des études de ce travail de thèse. Le premier est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) qui code pour une protéine ne possédant aucune homologie avec des domaines protéiques dont la fonction est connue. Dans le système d'expression de l'ovocyte de Xenopus laevis, VIT32 induit la maturation des ovocytes et diminue le courant sensible à l'amiloride de manière dépendante de la voie des MAPK. Dans les mpkCCDc14, l'inhibition de la voie des MAPK diminue le courant sodique en diminuant l'activité de la Na,K-ATPase, mais sans modifier le courant d'ENaC. Ainsi la voie de signalisation des MAPK peut avoir des cibles différentes suivant le système dans lequel elle est étudiée. C'est pourquoi nous avons décidé de poursuivre l'étude de VIT32 dans un contexte physiologique en créant une souris dépourvue du gène codant pour VIT32 de manière conditionnelle (conditional knockout). La première partie de cette thèse a donc consisté à générer cette souris. Le deuxième transcrit induit par la vasopressine qui a été étudié dans cette thèse est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, il a été montré que RGS2 inhibe des voies de signalisation dépendantes de récepteurs couplés à des protéines Gq et Gs. Dans notre étude, nous avons montré que dans le néphron de rein de souris, RGS2 est colocalisé avec V2R. In vivo, la vasopressine sécrétée lors d'une restriction en eau imposée à des souris augmente l'expression de RGS2. De plus, l'accumulation d'AMPc engendrée par l'action de la vasopressine sur les canaux collecteurs est significativement plus grande chez les souris dépourvues de RGS2 (rgs2 -/-). Cette induction de la signalisation de la vasopressine est corrélée à une augmentation de la réabsorption d'eau chez les souris rgs2 -/-. Ainsi RGS2 serait impliqué dans le rétrocontrôle négatif de la voie de signalisation de la vasopressine. Abstract In the kidney, vasopressin plays a key role in the control of water balance and participates in salt reabsorption. These actions are induced by the activation of V2 vasopressin receptor (V2R) located in the loop of Henle, in the connecting tubule and in the collecting duct leading to an increase in intracellular cAMP levels. The V2R-mediated vasopressin action elicits a rapid, non-genomic effect, during which water and salt reabsorption is rapidly increased and a late or genomic effect characterised by the long-term regulation of water and salt reabsorption through the transcriptional activation of a gene network that includes Aqp2, Aqp3, ENaC and Na,K-ATPase. Serial analysis of gene expression (SAGE) performed in 2001 in our laboratory characterised the vasopressin induced transcripts (VIT) in the mpkCCDc14 cell line. Two of them are studied in this thesis. The first one is VIT32 (Vasopressin induced transcript 32) that encodes a protein that has no homology with any protein domain of known function. In the Xenopus laevis oocyte, VIT32 induces oocyte maturation and downregulates the ENaC amiloride sensitive current via the activation of the MAPK pathway. In mpkCCDc14 cell line, the MAPK pathway inhibition leads to a decrease of Na,K-ATPase activity without affecting ENaC current. Therefore, the MAPK pathway can act on different targets depending on the cellular context. Thus, we decided to investigate the function of VIT32 in its physiological environment by performing a conditional knockout mouse of VIT32. The first part of this thesis consisted in generating this mouse. The second studied vasopressin induced transcript is RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). In vitro, RGS2 has been shown to inhibit Gq and Gs protein-coupled receptor pathway. In our study we show that RGS2 is co-localized with V2R in the mouse nephron. In vivo, vasopressin secreted during water restriction up-regulates RGS2 expression. Moreover, vasopressin-dependant accumulation of CAMP is significantly increased in the cortical collecting duct of RGS2 knockout mice. This increase is correlated with an increase in water reabsorption. RGS2 could be involved in the negative feedback regulation of V2R signalling. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 60% d'eau répartie à l'intérieur et à l'extérieur des cellules de notre organisme. Les cellules, unités fondamentales du vivant, puisent l'oxygène et les nutriments indispensables à leur fonctionnement dans le liquide extracellulaire. La composition du milieu doit être constante, car les variations peuvent perturber considérablement et parfois fatalement la fonction des cellules. Ainsi les organismes pluricellulaires ont développé des mécanismes permettant de contrôler la constance du milieu extracellulaire afin de maintenir l'état d'équilibre nommé homéostasie. Le rein joue un rôle majeur dans cette homéostasie grâce à sa capacité de réabsorber l'eau et les solutés en fonction des besoins de l'organisme. Cette fonction du rein est régulée par différentes hormones comme la vasopressine, qui permet de contrôler la réabsorption fine de l'eau et des solutés. Dans leurs membranes, les cellules possèdent des récepteurs leur permettant de répondre aux signaux extracellulaires comme le sont entre autres les hormones. Ainsi les cellules sensibles à la vasopressine possèdent un récepteur nommé V2R qui permet d'intégrer les signaux de la vasopressine en déclenchant tout une cascade d'événements conduisant à une modification de l'expression de certaines protéines impliquées directement ou non dans la réabsorption de l'eau et des solutés. Une étude précédente élaborée au sein de notre laboratoire a permis de répertorier les protéines dont l'expression est augmentée par de la vasopressine. Deux de ces protéines ont fait l'objet des études de cette thèse. La première protéine induite par la vasopressine est VIT32 (Vasopressin induced transcript 32). Cette protéine est entre autres impliquée dans la réabsorption du sodium, mais la fonction précise de VIT32 dans ce transport n'a pas pu être déterminée. Une des approches possibles pour l'étude de la fonction d'une protéine est de supprimer son expression chez la souris et d'étudier les conséquences de son absence. Ces souris sont appelées des souris knockout, puisque la protéine en question ne peut plus agir. La première partie de cette thèse a donc consisté à générer une souris dépourvue du gène de VIT32. La deuxième protéine étudiée est RGS2 (Regulator of G protein Signaling 2). Cette protéine inhibe certaines voies de signalisation activées par différentes hormones. Dans cette partie du travail de thèse, nous avons pu mettre en évidence que RGS2 agit comme un inhibiteur de la voie de signalisation de la vasopressine. En modifiant cette signalisation, RGS2 serait donc un médiateur du contrôle de la réabsorption d'eau dans les cellules du rein sensibles à la vasopressine.

Modulation of the epithelial sodium channel by serine proteases

Abstract The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits α, ß, and γ. This channel is involved in the regulation of sodium balance, which influences the periciliary liquid level in the lung, and blood pressure via the kidney. ENaC expressed in Xenopus laevis oocytes is preferentially and rapidly assembled into heteromeric αßγ complexes. Expression of homomeric α or heteromeric αß and αγ complexes lead to channel expression at the cell surface wíth low activities. Recent studies have demonstrated that α and γ (but not ß) ENaC subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous proteases (i.e. furin) correlating with increased channel activity. We therefore assayed the full-length subunits and their cleavage products at the cell surface, as well as in the intracellular pool for all homo- and heteromeric combínations (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ and αßγ) and measured the corresponding channel activities as amiloride-sensitive sodíum transport (INa). We showed that upon assembly, cleavage of the y ENaC subunit ís responsible for increasing INa. We further demonstrated that in disease states such as cystic fibrosis (CF) where there is disequilibrium in the proteaseprotease inhibitor balance, ENaC is over-activated by the serine protease elastase (NE). We demonstrated that elevated NE concentrations can cleave cell surface expressed γ ENaC (but not α, or ß ENaC), suggesting a causal relationship between γ ENaC cleavage and ENaC activation, taking place at the plasma membrane. In addition, we demonstrated that the serine protease inhibitor (serpin) serpinH1, which is co-expressed with ENaC in the distal nephron is capable of inhibiting the channel by preventing cleavage of the γ ENaC subunit. Aldosterone mediated increases in INa aze known to be inhibted by TGFß. TGFß is also known to increase serpinHl expression. The demonstrated inhibition of γ ENaC cleavage and channel activation by serpinH1 may be responsible for the effect of TGFß on aldosterone stimulation in the distal nephron. In summary, we show that cleavage of the γ subunit, but not the α or ß subunit is linked to channel activation in three seperate contexts. Résumé Le canal épithélial à sodium (ENaC) est constitué de trois sous-unités homologues α, ß, and γ. Ce canal est impliqué dans le maintien de la balance sodique qui influence le niveau du liquide périciliaire du poumon et la pression sanguine via le rein. Dans les ovocytes de Xenopus laevis ENaC est préférentiellement et rapidement exprimé en formant un complexe hétéromérique αßγ. En revanche, l'expression homomérique de α ou hétéromérique des complexes αß et αγ conduit à une expression à la surface cellulaire d'un canal ENaC ne possédant qu'une faible activité. Des études récentes ont mis en évidence que les sous-unités α et γ d'ENaC (mais pas ß) sont coupées par des protéases endogènes (les farines) et que ces clivages augmentent l'activité du canal. Nous avons donc analysé, aussi bien à la surface cellulaire que dans le cytoplasme, les produits des clivages de combinaison homo- et hétéromérique des sous-unités d'ENaC (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ et αßγ). En parallèle, nous avons étudié l'activité correspondante à ces canaux par la mesure du transport de sodium sensible à l'amiloride (INa). Nous avons montré que lors de l'assemblage des sous-unités d'ENaC, le clivage de γ correspond à l'augmentation de INa. Nous avons également mis en évidence que dans une maladie telle que la fibrose cystique (CF) caractérisée par un déséquilibre de la balance protéase-inhibiteur de protéase, ENaC est suractivé par une sérine protéase nommée élastase (NE). L'augmentation de la concentration de NE clive γ ENaC exprimé à la surface cellulaire (mais pas α, ni ß ENaC) suggérant une causalité entre le clivage d'ENaC et son activation à la membrane plasmique. De plus, nous avons démontré que l'inhibiteur de sérine protéase (serpin) serpinH1, qui est co-exprimé avec ENaC dans le néphron distal, inhibe l'activité du canal en empêchant le clivage de la sous-unité γ ENaC. Il est connu que le INa induit par l'aldostérone peut être inhibé par TGFß. Or TGFß augmente l'expression de serpinH1. L'inhibition du clivage de γ ENaC et de l'activation du canal par la serpinH1 que nous avons mis en évidence pourrait ainsi être responsable de l'effet de TGFß sur la stimulation du courant par l'aldostérone dans le néphron distal. En résumé, nous avons montré que le clivage de la sous-unité γ, mais pas des sous-unités α et ß, est lié à l'activation du canal dans trois contextes distincts. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 10 000 milliards de cellules et d'approximativement 60% d'eau. Les cellules du corps sont les unités fondamentales de la vie et elles sont dépendantes de certains nutriments et molécules. Ces nutriments et molécules sont dissous dans l'eau qui est présente dans et hors des cellules. Le maintien d'une concentration adéquate - de ces nutriments et de ces molécules dans l'eau à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est -..essentiel pour leur survie. L'eau hors des cellules est nommée le fluide extracellulaire et peut être subdivisée en fluide interstitiel, qui se trouve autour des cellules, et en plasma, qui est le fluide des vaisseaux sanguins. Les fluides, les nutriments et les molécules sont constamment échangés entre les cellules, le fluide interstitiel, et le plasma. Le plasma circule dans le système circulatoire afin de distribuer les nutriments et molécules dans tout le corps et afin d'enlever les déchets cellulaires. Le rein joue un rôle essentiel dans la régulation du volume et de la concentration du plasma en éliminant sélectivement les nutriments et les molécules via la formation de l'urine. L'être humain possède deux reins, constitués chacun d'environ 1 million de néphrons. Ces derniers sont responsables de réabsorber et de sécréter sélectivement les nutriments et les molécules. Le canal épithélial à sodium (ENaC) est localisé à la surface cellulaire des néphrons et est responsable de la réabsorption du sodium (Na+). Le Na+ est présent dans quasiment toute la nourriture que nous mangeons et représente, en terme de molécule, 50% du sel de cuisine. Si trop de sodium est consommé, ENaC est inactif, si bien que le Na+ n'est pas réabsorbé et quitte le corps par l'urine. Ce mécanisme permet d'éviter que la concentration plasmatique de Na+ ne devienne trop grande, ce qui résulterait en une augmentation de la pression sanguine. Si trop peu de Na+ est consommé, ENaC réabsorbe le Na+ de l'urine primaire ce qui permet de conserver la concentration de Na+ et de prévenir une diminution de la pression sanguine par une perte de Na+. ENaC est aussi présent dans les cellules des poumons qui sont les organes permettant la respiration. La respiration est aussi essentielle pour la survie des cellules. Les poumons ne doivent pas contenir trop de liquide afin de permettre la respiration, mais en même temps ils ne doivent pas non plus être trop secs. En effet, ceci tuerait les cellules et empêcherait aussi la respiration. ENaC permet de maintenir un niveau d'humidité approprié dans les poumons en absorbant du Na+ ce qui entraîne un mouvement osmotique d'eau. L'absorption de sodium par ENaC ~ est augmentée par les protéases (in vitro et ex vivo). Les protéases sont des molécules qui peuvent couper d'autres molécules à des endroits précis. Nous avons démonté que certaines protéases augmentent l'absorption de Na+ en coupant ENaC à des endroits spécifiques. L'inhibition de ces protéases diminue le transport de Na+ et empêche le clivage d'ENaC. Dans certaines maladies telle que la mucoviscidose, des protéases sont suractivées et augmentent l'activité d'ENaC de manière inappropriée conduisant à une trop forte absorption de Na+ et à un déséquilibre de la muqueuse des poumons. Cette étude est donc particulièrement importante dans le cadre de la recherche thérapeutique de ce genre de maladie.

Hormonal regulation of (Na+,K+)-ATPase biosynthesis in the toad bladder. Effect of aldosterone and 3,5,3'-triiodo-L-thyronine.

Aldosterone stimulates transepithelial Na+ transport in the toad bladder, and thyroid hormone antagonizes this mineralocorticoid action. In the present study, we assessed the influence of these two hormones on the biosynthesis of (Na+,K+)ATPase, the major driving force of Na+ transport. Rates of enzyme synthesis were estimated by immunoprecipitation with monospecific alpha (96,000 daltons) and beta (60,000 daltons) subunit antibodies. After a 30-min pulse of intact tissue with [35S]methionine, the anti-alpha-serum recognized the 96,000-dalton alpha subunit and the anti-beta-serum, a 42,000-dalton protein, in total cell extracts. The biosynthesis rates of both these proteins were increased 2.8- and 2.4-fold respectively, over controls by 80 nM aldosterone after 18 h of hormone treatment. The hormonal effect was not apparent up to 3 h of incubation and was dose dependent between 0.2 and 20 nM aldosterone. The hormonal induction was antagonized by spironolactone (500-fold excess) but not by amiloride. The action of aldosterone thus seems to be a receptor-mediated process and a primary event independent of the Na+ permeability of the apical membrane. Thyroid hormone, on the other hand, had no effect on either basal or aldosterone-stimulated synthesis rates of both enzyme proteins. The results demonstrate a direct effect of aldosterone on gene expression of the (Na+,K+)-ATPase. Ultimately, this phenomenon could be linked to the late mineralocorticoid action of this hormone. On the other hand, thyroid hormone, in contrast to the situation in mammals, does not stimulate de novo enzyme synthesis in amphibia. Neither can the antimineralocorticoid action of thyroid hormone in the toad bladder be explained by an inhibition of the (Na+,K+)-ATPase synthesis.

Epithelial Sodium Channel-Mediated Sodium Transport Is Not Dependent on the Membrane-Bound Serine Protease CAP2/Tmprss4.

The membrane-bound serine protease CAP2/Tmprss4 has been previously identified in vitro as a positive regulator of the epithelial sodium channel (ENaC). To study its in vivo implication in ENaC-mediated sodium absorption, we generated a knockout mouse model for CAP2/Tmprss4. Mice deficient in CAP2/Tmprss4 were viable, fertile, and did not show any obvious histological abnormalities. Unexpectedly, when challenged with sodium-deficient diet, these mice did not develop any impairment in renal sodium handling as evidenced by normal plasma and urinary sodium and potassium electrolytes, as well as normal aldosterone levels. Despite minor alterations in ENaC mRNA expression, we found no evidence for altered proteolytic cleavage of ENaC subunits. In consequence, ENaC activity, as monitored by the amiloride-sensitive rectal potential difference (ΔPD), was not altered even under dietary sodium restriction. In summary, ENaC-mediated sodium balance is not affected by lack of CAP2/Tmprss4 expression and thus, does not seem to directly control ENaC expression and activity in vivo.