Cross-talk between glutamate and potassium regulation at the astrocyte membrane

Astrocytes play a central role in the brain by regulating glutamate and extracellular potassium concentrations ([K+]0), both released by neurons into the extracellular space during neuronal activity. Glutamate uptake is driven by the inwardly directed sodium gradient across the astrocyte membrane and involves the influx of three sodium ions and one proton and the efflux of one K+ ion per glutamate molecule. The glutamate transport induced rise in intracellular sodium stimulates the Na+/K+-ATPase which leads to significant energetic costs in astrocytes. To evaluate how these two fundamental functions of astrocytes, namely glutamate transport and K+ buffering, which are directly associated with neuronal activity, coexist and if they influence each other, in this thesis work we examined different cellular parameters of astrocytes. We therefore investigated the impact of altered [K+]0 on glutamate transporter activity. To assess this question we measured intracellular sodium fluctuations in mouse primary cultured astrocytes using dynamic fluorescence imaging. We found that glutamate uptake was tightly modulated both in amplitude and kinetics by [K+]0. Elevated [K+]0 strongly decreased glutamate transporter activity, with significant consequences on the cells energy metabolism. To ultimately evaluate potential effects of [K+]0 and glutamate on the astrocyte mitochondrial energy production we extended these studies by investigating their impact on the cytosolic and mitochondrial pH. We found that both [K+],, and glutamate strongly influenced cytosolic and mitochondrial pH, but in opposite directions. The effect of a simultaneous application of K+ and glutamate, however, did not fit with the arithmetical sum of each individual effects, suggesting that an additional non¬linear process is involved. We also investigated the impact of [K+]0 and glutamate transport, respectively, on intracellular potassium concentrations ([K+]0 in cultured astrocytes by characterizing and applying a newly developed Insensitive fluorescent dye. We observed that [K+]i followed [K+]0 changes in a nearly proportional way and that glutamate superfusion caused a reversible, glutamate-concentration dependent drop of [K+],, Our study shows the powerful influence of [K+]u on glutamate capture. These findings have strong implications for our understanding of the tightly regulated interplay between astrocytes and neurons in situations where [K+]0 undergoes large activity-dependent fluctuations. However, depending on the extent of K+ versus glutamate extracellular rise, energy metabolism in astrocytes will be differently regulated. Moreover, the novel insights obtained during this thesis work help understanding some of the underlying processes that prevail in certain pathologies of central nervous system, such as epilepsy and stroke. These results will possibly provide a basis for the development of novel therapeutic strategies. -- Les astrocytes jouent un rôle central dans le cerveau en régulant les concentrations de potassium (K+) et de glutamate, qui sont relâchés par les neurones dans l'espace extracellulaire lorsque ceux- ci sont actifs. La capture par les astrocytes du glutamate est un processus secondairement actif qui implique l'influx d'ions sodium (Na+) et d'un proton, ainsi que l'efflux d'ions K+, ce processus entraîne un coût métabolique important. Nous avons évalué comment ces fonctions fondamentales des astrocytes, la régulation du glutamate et du K+ extracellulaire, qui sont directement associés à l'activité neuronale, coexistent et si elles interagissent, en examinant différents paramètres cellulaires. Dans ce projet de thèse nous avons évalué l'impact des modifications de la concentration de potassium extracellulaire ([K+],,) sur le transport du glutamate. Nous avons mesuré le transport du glutamate par le biais des fluctuations internes de Na+ grâce à un colorant fluorescent en utilisant de l'imagerie à fluorescence dynamique sur des cultures primaires d'astrocytes. Nous avons trouvé que la capture du glutamate était étroitement régulée par [K+]0 aussi bien dans son amplitude que dans sa cinétique. Par la suite, nous avons porté notre attention sur l'impact de [K+]0 et du glutamate sur le pH cytosolique et mitochondrial de l'astrocyte dans le but, in fine, d'évaluer les effets potentiels sur la production d'énergie par la mitochondrie. Nous avons trouvé qu'autant le K+ que le glutamate, de manière individuelle, influençaient fortement le pH, cependant dans des directions opposées. Leurs effets individuels, ne peuvent toutefois pas être additionnés ce qui suggère qu'un processus additionnel non-linéaire est impliqué. En appliquant une nouvelle approche pour suivre et quantifier la concentration intracellulaire de potassium ([K+]0 par imagerie à fluorescence, nous avons observé que [K+]i suivait les changements de [K+]0 de manière quasiment proportionnelle et que la superfusion de glutamate induisait un décroissement rapide et réversible de [K+]i, qui dépend de la concentration de glutamate. Notre étude démontre l'influence de [K+]0 sur la capture du glutamate. Ces résultats permettent d'améliorer notre compréhension de l'interaction entre astrocytes et neurones dans des situations où [K+]0 fluctue en fonction de l'activité neuronale. Cependant, en fonction de l'importance de l'augmentation extracellulaire du K+ versus le glutamate, le métabolisme énergétique des astrocytes va être régulé de manière différente. De plus, les informations nouvelles que nous avons obtenues durant ce travail de thèse nous aident à comprendre quelques- uns des processus sous-jacents qui prévalent dans certaines pathologies du système nerveux central, comme par exemple l'épilepsie ou l'accident vasculaire cérébral. Ces informations pourront être importantes à intégrer dans la cadre du développement de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Cell surface expression of the epithelial Na channel and a mutant causing Liddle syndrome: a quantitative approach.

The epithelial amiloride-sensitive sodium channel (ENaC) controls transepithelial Na+ movement in Na(+)-transporting epithelia and is associated with Liddle syndrome, an autosomal dominant form of salt-sensitive hypertension. Detailed analysis of ENaC channel properties and the functional consequences of mutations causing Liddle syndrome has been, so far, limited by lack of a method allowing specific and quantitative detection of cell-surface-expressed ENaC. We have developed a quantitative assay based on the binding of 125I-labeled M2 anti-FLAG monoclonal antibody (M2Ab*) directed against a FLAG reporter epitope introduced in the extracellular loop of each of the alpha, beta, and gamma ENaC subunits. Insertion of the FLAG epitope into ENaC sequences did not change its functional and pharmacological properties. The binding specificity and affinity (Kd = 3 nM) allowed us to correlate in individual Xenopus oocytes the macroscopic amiloride-sensitive sodium current (INa) with the number of ENaC wild-type and mutant subunits expressed at the cell surface. These experiments demonstrate that: (i) only heteromultimeric channels made of alpha, beta, and gamma ENaC subunits are maximally and efficiently expressed at the cell surface; (ii) the overall ENaC open probability is one order of magnitude lower than previously observed in single-channel recordings; (iii) the mutation causing Liddle syndrome (beta R564stop) enhances channel activity by two mechanisms, i.e., by increasing ENaC cell surface expression and by changing channel open probability. This quantitative approach provides new insights on the molecular mechanisms underlying one form of salt-sensitive hypertension.

Muscimol-induced death of GABAergic neurons in rat brain aggregating cell cultures.

During brain development, spontaneous neuronal activity has been shown to play a crucial role in the maturation of neuronal circuitries. Activity-related signals may cause selective neuronal cell death and/or rearrangement of neuronal connectivity. To study the effects of sustained inhibitory activity on developing inhibitory (GABAergic) neurons, three-dimensional primary cell cultures of fetal rat telencephalon were used. In relatively immature cultures, muscimol (10 microns), a GABAA receptor agonist, induced a transient increase in apoptotic cell death, as evidenced by a cycloheximide-sensitive increase of free nucleosomes and an increased frequency of DNA double strand breaks (TUNEL labeling). Furthermore, muscimol caused an irreversible reduction of glutamic acid decarboxylase activity, indicating a loss of GABAergic neurons. The muscimol-induced death of GABAergic neurons was attenuated by the GABAA receptor blockers bicuculline (100 microns) and picrotoxin (100 microns), by depolarizing potassium concentrations (30 mM KCl) and by the L-type calcium channel activator BAY K8644 (2 microns). As compared to the cholinergic marker (choline acetyltransferase activity), glutamic acid decarboxylase activity was significantly more affected by various agents known to inhibit neuronal activity, including tetrodotoxin (1 micron), flunarizine (5 microns), MK 801 (50 microns) and propofol (40 microns). The present results suggest that the survival of a subpopulation of immature GABAergic neurons is dependent on sustained neuronal activity and that these neurons may undergo apoptotic cell death in response to GABAA autoreceptor activation.

Intraobserver and interobserver variability of ascending aorta diameter as assessed with ECG-gated MDCT: automatic versus manual measurements

Purpose: Recently morphometric measurements of the ascending aorta have been done with ECG-gated MDCT to help the development of future endovascular therapies (TCT) [1]. However, the variability of these measurements remains unknown. It will be interesting to know the impact of CAD (computer aided diagnosis) with automated segmentation of the vessel and automatic measurements of diameter on the management of ascending aorta aneurysms. Methods and Materials: Thirty patients referred for ECG-gated CT thoracic angiography (64-row CT scanner) were evaluated. Measurements of the maximum and minimum ascending aorta diameters were obtained automatically with a commercially available CAD and semi-manually by two observers separately. The CAD algorithms segment the iv-enhanced lumen of the ascending aorta into perpendicular planes along the centreline. The CAD then determines the largest and the smallest diameters. Both observers repeated the automatic measurements and the semimanual measurements during a different session at least one month after the first measurements. The Bland and Altman method was used to study the inter/intraobserver variability. A Wilcoxon signed-rank test was also used to analyse differences between observers. Results: Interobserver variability for semi-manual measurements between the first and second observers was between 1.2 to 1.0 mm for maximal and minimal diameter, respectively. Intraobserver variability of each observer ranged from 0.8 to 1.2 mm, the lowest variability being produced by the more experienced observer. CAD variability could be as low as 0.3 mm, showing that it can perform better than human observers. However, when used in nonoptimal conditions (streak artefacts from contrast in the superior vena cava or weak lumen enhancement), CAD has a variability that can be as high as 0.9 mm, reaching variability of semi-manual measurements. Furthermore, there were significant differences between both observers for maximal and minimal diameter measurements (p<0.001). There was also a significant difference between the first observer and CAD for maximal diameter measurements with the former underestimating the diameter compared to the latter (p<0.001). As for minimal diameters, they were higher when measured by the second observer than when measured by CAD (p<0.001). Neither the difference of mean minimal diameter between the first observer and CAD nor the difference of mean maximal diameter between the second observer and CAD was significant (p=0.20 and 0.06, respectively). Conclusion: CAD algorithms can lessen the variability of diameter measurements in the follow-up of ascending aorta aneurysms. Nevertheless, in non-optimal conditions, it may be necessary to correct manually the measurements. Improvements of the algorithms will help to avoid such a situation.

Defectos paradójicos en regiones con necrosis miocárdica. análisis mediante gated-spect de perfusión miocárdica.

Objectius: Valorar el significat dels defectes paradoxals (DP) segmentaris (captació en esforç més gran que en repòs) a la gated-SPECT (Single Photon Emission Computer Tomography) de perfusió miocàrdica amb compostos tecneciats en regions amb necrosi miocàrdica. Material i mètodes: Es van revisar 1764 SPECT de perfusió miocàrdica estrès-repòs consecutives de pacients amb infart (IM) previ i es van identificar 117 pacients (6,6%) en els quals els DPs corresponien a una regió amb necrosi miocàrdica. Es van valorar els criteris gammagràfics de viabilitat (intensitat del defecte, valor d'aquesta intensitat ponderat pel nombre de segments compromesos-VIP-, la motilitat i l'engrossiment miocàrdic sistòlic) en els segments d'aquestes regions i les característiques de l'artèria responsable en els 96 pacients en els quals s'havia practicat una coronariografia. Resultats: Es van analitzar 160 necrosis, 125 (75%) paradoxals (67 (54%) en regió AnteroSeptoApical i 58 (46%) en regió InferoLateral) i 35 (25%) no paradoxals (19 (54%) ASA i 16 ( 46%) IL). Els valors de severitat de la necrosi i del VIP van ser inferiors en l'estudi d'estrès respecte al repòs i la diferència d'aquests va ser sempre negativa, evidenciant un comportament gammagràfic paradoxal. Per contra, aquests valors van ser inferiors al repòs respecte a l'estrès en les necrosi no paradoxals posant de manifest un comportament gammagràfic de mínima o nul reversibilitat. Així mateix, es van trobar alteracions lleus en la motilitat i engrossiment de les necrosi paradoxals i moderats en les necrosi no paradoxals. Es van trobar 102 necrosis amb DP i coronariografia dels quals, 84 (88%) tenien permeabilitat a l'artèria responsable de la necrosi i 12 pacients (12%) tenien circulació colateral per compensar l'oclusió de l'artèria responsable. Conclusions: Tots els segments amb DP en regions amb necrosi complien criteris gammagràfics de viabilitat en les imatges d'estrès, considerant aquestes imatges millors per a l'avaluació d'aquest tipus de lesions. El vas responsable de la regió amb DP es trobava permeable o bé presentava circulació colateral evident en els casos en què la coronària es trobava closa.

Renal tubular NEDD4-2 deficiency causes NCC-mediated salt-dependent hypertension.

The E3 ubiquitin ligase NEDD4-2 (encoded by the Nedd4L gene) regulates the amiloride-sensitive epithelial Na+ channel (ENaC/SCNN1) to mediate Na+ homeostasis. Mutations in the human β/γENaC subunits that block NEDD4-2 binding or constitutive ablation of exons 6-8 of Nedd4L in mice both result in salt-sensitive hypertension and elevated ENaC activity (Liddle syndrome). To determine the role of renal tubular NEDD4-2 in adult mice, we generated tetracycline-inducible, nephron-specific Nedd4L KO mice. Under standard and high-Na+ diets, conditional KO mice displayed decreased plasma aldosterone but normal Na+/K+ balance. Under a high-Na+ diet, KO mice exhibited hypercalciuria and increased blood pressure, which were reversed by thiazide treatment. Protein expression of βENaC, γENaC, the renal outer medullary K+ channel (ROMK), and total and phosphorylated thiazide-sensitive Na+Cl- cotransporter (NCC) levels were increased in KO kidneys. Unexpectedly, Scnn1a mRNA, which encodes the αENaC subunit, was reduced and proteolytic cleavage of αENaC decreased. Taken together, these results demonstrate that loss of NEDD4-2 in adult renal tubules causes a new form of mild, salt-sensitive hypertension without hyperkalemia that is characterized by upregulation of NCC, elevation of β/γENaC, but not αENaC, and a normal Na+/K+ balance maintained by downregulation of ENaC activity and upregulation of ROMK.

Mutational analysis of cysteine-rich domains of the epithelium sodium channel (ENaC). Identification of cysteines essential for channel expression at the cell surface.

One of the characteristic features of the structure of the epithelial sodium channel family (ENaC) is the presence of two highly conserved cysteine-rich domains (CRD1 and CRD2) in the large extracellular loops of the proteins. We have studied the role of CRDs in the functional expression of rat alphabetagamma ENaC subunits by systematically mutating cysteine residues (singly or in combinations) into either serine or alanine. In the Xenopus oocyte expression system, mutations of two cysteines in CRD1 of alpha, beta, or gamma ENaC subunits led to a temperature-dependent inactivation of the channel. In CRD1, one of the cysteines of the rat alphaENaC subunit (Cys158) is homologous to Cys133 of the corresponding human subunit causing, when mutated to tyrosine (C133Y), pseudohypoaldosteronism type 1, a severe salt-loosing syndrome in neonates. In CRD2, mutation of two cysteines in alpha and beta but not in the gamma subunit also produced a temperature-dependent inactivation of the channel. The main features of the mutant cysteine channels are: (i) a decrease in cell surface expression of channel molecules that parallels the decrease in channel activity and (ii) a normal assembly or rate of degradation as assessed by nondenaturing co-immunoprecipitation of [35S]methionine-labeled channel protein. These data indicate that the two cysteines in CRD1 and CRD2 are not a prerequisite for subunit assembly and/or intrinsic channel activity. We propose that they play an essential role in the efficient transport of assembled channels to the plasma membrane.

Navigator-gated free-breathing three-dimensional balanced fast field echo (TrueFISP) coronary magnetic resonance angiography.

RATIONALE AND OBJECTIVES: Recent developments of MR imaging equipment enabled high-quality steady state-free-precession (Balanced FFE, True-FISP) MR-imaging with a substantial 'T2 like' contrast, resulting in a high signal intensity of the blood-pool without the application of exogenous contrast agents. It is hypothesized that Balanced-FFE may be valuable for contrast enhancement in 3D free-breathing coronary MRA. MATERIALS AND METHODS: Navigator-gated free-breathing cardiac triggered coronary MRA was performed in 10 healthy adult subjects and three patients with radiograph defined coronary artery disease using a segmented k-space 3D Balanced FFE imaging sequence. RESULTS: High contrast-to-noise ratio between the blood-pool and the myocardium (29 +/- 8) and long segment visualization of both coronary arteries could be obtained in about 5 minutes during free breathing using the present navigator-gated Balanced-FFE coronary MRA approach. First patient results demonstrated successful display of coronary artery stenoses. CONCLUSION: Balanced FFE offers a potential alternative for endogenous contrast enhancement in navigator-gated free-breathing 3D coronary MRA. The obtained results together with the relatively short scanning time warrant further studies in larger patient collectives.

Messenger RNA expression of transporter and ion channel genes in undifferentiated and differentiated Caco-2 cells compared to human intestines.

PURPOSE: The purpose of this work was to study the influence of cell differentiation on the mRNA expression of transporters and channels in Caco-2 cells and to assess Caco-2 cells as a model for carrier-mediated drug transport in the intestines. METHOD: Gene mRNA expression was measured using a custom-designed microarray chip with 750 deoxyoligonucleotide probes (70mers). Each oligomer was printed four times on poly-lysine-coated glass slides. Expression profiles were expressed as ratio values between fluorescence intensities of Cy3 and Cy5 dye-labeled cDNA derived from poly(A) + RNA samples of Caco-2 cells and total RNA of human intestines. RESULTS: Significant differences in the mRNA expression profile of transporters and channels were observed upon differentiation of Caco-2 cells from 5 days to 2 weeks in culture, including changes for MAT8, S-protein, and Nramp2. Comparing Caco-2 cells of different passage number revealed few changes in mRNAs except for GLUT3, which was down-regulated 2.4-fold within 13 passage numbers. Caco-2 cells had a similar expression profile when either cultured in flasks or on filters but differed more strongly from human small and large intestine, regardless of the differentiation state of Caco-2 cells. Expression of several genes highly transcribed in small or large intestines differed fourfold or more in Caco-2 cells. CONCLUSIONS: Although Caco-2 cells have proven a suitable model for studying carrier-mediated transport in human intestines, the expression of specific transporter and ion channel genes may differ substantially.

Regulation of the epithelial Na+ channel ENaC by Tsg101 in renal epithelial cells

Kidneys are the main regulator of salt homeostasis and blood pressure. In the distal region of the tubule active Na-transport is finely tuned. This transport is regulated by various hormonal pathways including aldosterone that regulates the reabsorption at the level of the ASDN, comprising the late DCT, the CNT and the CCD. In the ASDN, the amiloride-sensitive epithelial Na-channel (ENaC) plays a major role in Na-homeostasis, as evidenced by gain-of function mutations in the genes encoding ENaC, causing Liddle's syndrome, a severe form of salt-sensitive hypertension. In this disease, regulation of ENaC is compromised due to mutations that delete or mutate a PY-motif in ENaC. Such mutations interfere with Nedd4-2- dependent ubiquitylation of ENaC, leading to reduced endocytosis of the channel, and consequently to increased channel activity at the cell surface. After endocytosis ENaC is targeted to the lysosome and rapidly degraded. Similarly to other ubiquitylated and endocytosed plasma membrane proteins (such as the EGFR), it is likely that the multi-protein complex system ESCRT is involved. To investigate the involvement of this system we tested the role of one of the ESCRT proteins, Tsg101. Here we show that Tsg101 interacts endogenously and in transfected HEK-293 cells with all three ENaC sub-units. Furthermore, mutations of cytoplasmic lysines of ENaC subunits lead to the disruption of this interaction, indicating a potential involvement of ubiquitin in Tsg101 / ENaC interaction. Tsg101 knockdown in renal epithelial cells increases the total and cell surface pool of ENaC, thus implying TsglOl and consequently the ESCRT system in ENaC degradation by the endosomal/lysosomal system. - Les reins sont les principaux organes responsables de la régulation de la pression artérielle ainsi que de la balance saline du corps. Dans la région distale du tubule, le transport actif de sodium est finement régulé. Ce transport est contrôlé par plusieurs hormones comme l'aldostérone, qui régule la réabsorption au niveau de l'ASDN, segment comprenant la fin du DCT, le CNT et le CCD. Dans l'ASDN, le canal à sodium épithélial sensible à l'amiloride (ENaC) joue un rôle majeur dans l'homéostasie sodique, comme cela fut démontré par les mutations « gain de fonction » dans les gênes encodant ENaC, causant ainsi le syndrome de Liddle, une forme sévère d'hypertension sensible au sel. Dans cette maladie, la régulation d'ENaC est compromise du fait des mutations qui supprime ou mute le domaine PY présent sur les sous-unités d'ENaC. Ces mutations préviennent l'ubiquitylation d'ENaC par Nedd4-2, conduisant ainsi à une baisse de l'endocytose du canal et par conséquent une activité accrue d'ENaC à la surface membranaire. Après endocytose, ENaC est envoyé vers le lysosome et rapidement dégradé. Comme d'autres protéines membranaires ubiquitylées et endocytées (comme l'EGFR), il est probable que le complexe multi-protéique ESCRT est impliqué dans le transport d'ENaC au lysosome. Pour étudier l'implication du système d'ESCRT dans la régulation d'ENaC nous avons testé le rôle d'une protéine de ces complexes, TsglOl. Notre étude nous a permis de démontrer que TsglOl se lie aux trois sous-unités ENaC aussi bien en co-transfection dans des cellules HEK-293 que de manière endogène. De plus, nous avons pu démontrer l'importance de l'ubiquitine dans cette interaction par la mutation de toutes les lysines placées du côté cytoplasmique des sous-unités d'ENaC, empêchant ainsi l'ubiquitylation de ces sous-unités. Enfin, le « knockdown » de TsglOl dans des cellules épithéliales de rein induit une augmentation de l'expression d'ENaC aussi bien dans le «pool» total qu'à la surface membranaire, indiquant ainsi un rôle pour TsglOl et par conséquent du système d'ESCRT dans la dégradation d'ENaC par la voie endosome / lysosome. - Le corps humain est composé d'organes chacun spécialisé dans une fonction précise. Chaque organe est composé de cellules, qui assurent la fonction de l'organe en question. Ces cellules se caractérisent par : - une membrane qui leur permet d'isoler leur compartiment interne (milieu intracellulaire ou cytoplasme) du liquide externe (milieu extracellulaire), - un noyau, où l'ADN est situé, - des protéines, sortent d'unités fonctionnelles ayant une fonction bien définie dans la cellule. La séparation entre l'extérieure et l'intérieure de la cellule est essentielle pour le maintien des composants de ces milieux ainsi que pour la bonne fonction de l'organisme et des cellules. Parmi ces composants, le sodium joue un rôle essentiel car il conditionne le maintien de volume sanguin en participant au maintien du volume extracellulaire. Une augmentation du sodium dans l'organisme provoque donc une augmentation du volume sanguin et ainsi provoque une hypertension. De ce fait, le contrôle de la quantité de sodium présente dans l'organisme est essentiel pour le bon fonctionnement de l'organisme. Le sodium est apporté par l'alimentation, et c'est au niveau du rein que va s'effectuer le contrôle de la quantité de sodium qui va être retenue dans l'organisme pour le maintien d'une concentration normale de sodium dans le milieu extracellulaire. Le rein va se charger de réabsorber toutes sortes de solutés nécessaires pour l'organisme avant d'évacuer les déchets ou le surplus de ces solutés en produisant l'urine. Le rein va se charger de réabsorber le sodium grâce à différentes protéines, parmi elle, nous nous sommes intéressés à une protéine appelée ENaC. Cette protéine joue un rôle important dans la réabsorption du sodium, et lorsqu'elle fonctionne mal, comme il a pu être observé dans certaines maladies génétiques, il en résulte des problèmes d'hypo- ou d'hypertension. Les problèmes résultant du mauvais fonctionnement de cette protéine obligent donc la cellule à réguler efficacement ENaC par différents mécanismes, notamment en diminuant son expression et en dégradant le « surplus ». Dans cette travail de thèse, nous nous sommes intéressés au mécanisme impliqué dans la dégradation d'ENaC et plus précisément à un ensemble de protéines, appelé ESCRT, qui va se charger « d'escorter » une protéine vers un sous compartiment à l'intérieur de la cellule ou elle sera dégradée.

The heterotetrameric architecture of the epithelial sodium channel (ENaC).

The epithelial sodium channel (ENaC) is a key element for the maintenance of sodium balance and the regulation of blood pressure. Three homologous ENaC subunits (alpha, beta and gamma) assemble to form a highly Na+-selective channel. However, the subunit stoichiometry of ENaC has not yet been solved. Quantitative analysis of cell surface expression of ENaC alpha, beta and gamma subunits shows that they assemble according to a fixed stoichiometry, with alpha ENaC as the most abundant subunit. Functional assays based on differential sensitivities to channel blockers elicited by mutations tagging each alpha, beta and gamma subunit are consistent with a four subunit stoichiometry composed of two alpha, one beta and one gamma. Expression of concatameric cDNA constructs made of different combinations of ENaC subunits confirmed the four subunit channel stoichiometry and showed that the arrangement of the subunits around the channel pore consists of two alpha subunits separated by beta and gamma subunits.

Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

Ascending aorta measurements as assessed by ECG-gated multi-detector computed tomography : a pilot study to etablish normative values for transcatheters therapies

Rapport de synthèse : Mesures de l'aorte ascendante par scanner synchronisé au rythme cardiaque: une étude pilote pour établir des valeurs normatives dans le cadre des futures thérapies par transcathéter. Objectif : L'objectif de cette étude est d'établir les valeurs morphométriques normatives de l'aorte ascendante à l'aide de l'angiographie par scanner synchronisé au rythme cardiaque, afin d'aider au développement des futurs traitements par transcathéter. Matériels et méthodes : Chez soixante-dix-sept patients (âgé de 22 à 83 ans, âge moyen: 54,7 ans), une angiographie par scanner synchronisé au rythme cardiaque a été réalisée pour évaluation des vaisseaux coronaires. Les examens ont été revus afin d'étudier l'anatomie de la chambre de chasse du ventricule gauche jusqu'au tronc brachio-céphalique droit. A l'aide de programmes de reconstructions multiplanaires et de segmentation automatique, différents diamètres et longueurs considérés comme importants pour les futurs traitements par transcathéter ont été mesurés. Les valeurs sont exprimées en moyennes, médianes, maximums, minimums, écart-types et en coefficients de variation. Les variations de diamètre de l'aorte ascendante durant le cycle cardiaque ont été aussi considérées. Résultats : Le diamètre moyen de la chambre de chasse du ventricule gauche était de 20.3+/-3.4 mm. Au niveau du sinus coronaire de l'aorte, il était de 34.2+/-4.1 mm et au niveau de la jonction sinotubulaire il était de 29.7+/-3.4 mm. Le diamètre moyen de l'aorte ascendante était de 32.7+/-3.8 mm. Le coefficient de variation de ces mesures variait de 12 à 17%. La distance moyenne entre l'insertion proximale des valvules aortiques et le départ du tronc brachio-céphalique droit était de 92.6+/-11.8 mm. La distance moyenne entre l'insertion proximale des valvules aortiques et l'origine de l'artère coronaire proximale était de 12.1+/-3.7 mm avec un coefficient de variation de 31%. La distance moyenne entre les deux ostia coronaires était de 7.2+/-3.1 mm avec un coefficient de variation de 43%. La longueur moyenne du petit arc de l'aorte ascendante entre l'artère coronaire gauche et le tronc brachio-céphalique droit était de 52.9+/-9.5 mm. La longueur moyenne de la continuité fibreuse entre la valve aortique et la valvule mitrale antérieure était de 14.6+/-3.3 mm avec un coefficient de variation de 23%. L'aire moyenne de la valve aortique était de 582.0+/-131.9 mm2. La variation du diamètre antéro-postérieur et transverse de l'aorte ascendante était respectivement de 8.4% et de 7.3%. Conclusion Il existe d'importantes variations inter-individuelles dans les mesures de l'aorte ascendante avec cependant des variations intra-individuelles faibles durant le cycle cardiaque. De ce fait, une approche personnalisée pour chaque patient est recommandée dans la confection des futures endoprothèses de l'aorte ascendante. Le scanner synchronisé au rythme cardiaque jouera un rôle prépondérant dans le bilan préthérapeutique. Abstract : The aim of this study was to provide an insight into normative values of the ascending aorta in regards to novel endovascular procedures using ECG-gated multi-detector CT angiography. Seventy-seven adult patients without ascending aortic abnormalities were evaluated. Measurements at relevant levels of the aortic root and ascending aorta were obtained. Diameter variations of the ascending aorta during cardiac cycle were also considered. Mean diameters (mm) were as follows: LV outflow tract 20.3+/-3.4, coronary sinus 34.2+/-4.1, sinotubular junction 29.7+-3.4 and mid ascending aorta 32.7+/-3.8 with coefficients of variation (CV) ranging from 12 to 17%. Mean distances (mm) were: from the plane passing through the proximal insertions of the aortic valve cusps to the right brachio-cephalic artery (BCA) 92.6111.8, from the plane passing through the proximal insertions of the aortic valve cusps to the proximal coronary ostium 12.1+/-3.7, and between both coronary ostia 7.2+/-3.1, minimal arc of the ascending aorta from left coronary ostium to right BCA 52.9 X9.5, and the fibrous continuity between the aortic valve and the anterior leaflet of the mitral valve 14.óf3.3, CV 13-43%. Mean aortic valve area was 582+-131.9 mm2. The variations of the antero-posterior and transverse diameters of the ascending aorta during the cardiac cycle were 8.4% and 7.3%, respectively. Results showed large inter-individual variations in diameters and distances but with limited intra-individual variations during the cardiac cycle. A personalized approach for planning endovascular devices must be considered.

The transmembrane serine protease (TMPRSS3) mutated in deafness DFNB8/10 activates the epithelial sodium channel (ENaC) in vitro.

TMPRSS3 encodes a transmembrane serine protease that contains both LDLRA and SRCR domains and is mutated in non-syndromic autosomal recessive deafness (DFNB8/10). To study its function, we cloned the mouse ortholog which maps to Mmu17, which is structurally similar to the human gene and encodes a polypeptide with 88% identity to the human protein. RT-PCR and RNA in situ hybridization on rat and mouse cochlea revealed that Tmprss3 is expressed in the spiral ganglion, the cells supporting the organ of Corti and the stria vascularis. RT-PCR on mouse tissues showed expression in the thymus, stomach, testis and E19 embryos. Transient expression of wild-type or tagged TMPRSS3 protein showed a primary localization in the endoplasmic reticulum. The epithelial amiloride-sensitive sodium channel (ENaC), which is expressed in many sodium-reabsorbing tissues including the inner ear and is regulated by membrane-bound channel activating serine proteases (CAPs), is a potential substrate of TMPRSS3. In the Xenopus oocyte expression system, proteolytic processing of TMPRSS3 was associated with increased ENaC mediated currents. In contrast, 6 TMPRSS3 mutants (D103G, R109W, C194F, W251C, P404L, C407R) causing deafness and a mutant in the catalytic triad of TMPRSS3 (S401A), failed to undergo proteolytic cleavage and activate ENaC. These data indicate that important signaling pathways in the inner ear are controlled by proteolytic cleavage and suggest: (i) the existence of an auto-catalytic processing by which TMPRSS3 would become active, and (ii) that ENaC could be a substrate of TMPRSS3 in the inner ear.