Ubiquitin-specific protease 2-45 (Usp2-45) binds to epithelial Na+ channel (ENaC)-ubiquitylating enzyme Nedd4-2.

Regulation of the epithelial Na(+) channel (ENaC) by ubiquitylation is controlled by the activity of two counteracting enzymes, the E3 ubiquitin-protein ligase Nedd4-2 (mouse ortholog of human Nedd4L) and the ubiquitin-specific protease Usp2-45. Previously, Usp2-45 was shown to decrease ubiquitylation and to increase surface function of ENaC in Xenopus laevis oocytes, whereas the splice variant Usp2-69, which has a different N-terminal domain, was inactive toward ENaC. It is shown here that the catalytic core of Usp2 lacking the N-terminal domain has a reduced ability relative to Usp2-45 to enhance ENaC activity in Xenopus oocytes. In contrast, its catalytic activity toward the artificial substrate ubiquitin-AMC is fully maintained. The interaction of Usp2-45 with ENaC exogenously expressed in HEK293 cells was tested by coimmunoprecipitation. The data indicate that different combinations of ENaC subunits, as well as the α-ENaC cytoplasmic N-terminal but not C-terminal domain, coprecipitate with Usp2-45. This interaction is decreased but not abolished when the cytoplasmic ubiquitylation sites of ENaC are mutated. Importantly, coimmunoprecipitation in HEK293 cells and GST pull-down of purified recombinant proteins show that both the catalytic domain and the N-terminal tail of Usp2-45 physically interact with the HECT domain of Nedd4-2. Taken together, the data support the conclusion that Usp2-45 action on ENaC is promoted by various interactions, including through binding to Nedd4-2 that is suggested to position Usp2-45 favorably for ENaC deubiquitylation.

Rapid fluidic exchange microsystem for recording of fast ion channel kinetics in Xenopus oocytes.

We present a new lab-on-a-chip system for electrophysiological measurements on Xenopus oocytes. Xenopus oocytes are widely used host cells in the field of pharmacological studies and drug development. We developed a novel non-invasive technique using immobilized non-devitellinized cells that replaces the traditional "two-electrode voltage-clamp" (TEVC) method. In particular, rapid fluidic exchange was implemented on-chip to allow recording of fast kinetic events of exogenous ion channels expressed in the cell membrane. Reducing fluidic exchange times of extracellular reagent solutions is a great challenge with these large millimetre-sized cells. Fluidic switching is obtained by shifting the laminar flow interface in a perfusion channel under the cell by means of integrated poly-dimethylsiloxane (PDMS) microvalves. Reagent solution exchange times down to 20 ms have been achieved. An on-chip purging system allows to perform complex pharmacological protocols, making the system suitable for screening of ion channel ligand libraries. The performance of the integrated rapid fluidic exchange system was demonstrated by investigating the self-inhibition of human epithelial sodium channels (ENaC). Our results show that the response time of this ion channel to a specific reactant is about an order of magnitude faster than could be estimated with the traditional TEVC technique.

Optical probing of sodium dynamics in neurons and astrocytes.

Changes in intracellular Na(+) concentration underlie essential neurobiological processes, but few reliable tools exist for their measurement. Here we characterize a new synthetic Na(+)-sensitive fluorescent dye, Asante Natrium Green (ANG), with unique properties. This indicator was excitable in the visible spectrum and by two-photon illumination, suffered little photobleaching and located to the cytosol were it remained for long durations without noticeable unwanted effects on basic cell properties. When used in brain tissue, ANG yielded a bright fluorescent signal during physiological Na(+) responses both in neurons and astrocytes. Synchronous electrophysiological and fluorometric recordings showed that ANG produced accurate Na(+) measurement in situ. This new Na(+) indicator opens innovative ways of probing neuronal circuits.

Novel action of a wake-promoting neuropeptide in hippocampus : inhibition of nmda receptor function at excitatory synapses through orexin-a

One of the most intriguing functions of the brain is the ability to learn and memorize. The mechanism through which memory and learning are expressed requires the activation of NMDA receptors (NMDARs). These molecular entities are placed at the postsynaptic density of excitatory synapses and their function is tightly controlled by the actions of several modulators at the extracellular, intracellular and pore sites. A large part of the intracellular modulation comes from the action of G-protein coupled receptors (GPCRs). Through intracellular cascades typically involving kinases and phosphatases, GPCRs potentiate or inhibit NMDARs, controlling the conductive state but also the trafficking within the synapse. The GPCRs are involved in the modulation of a variety of brain functions. Many of them control cognition, memory and learning performance, therefore, their effects on NMDARs are extensively studied. The orexinergic system signals through GPCRs and it is well known for the regulation of waking, feeding, reward and autonomic functions. Moreover, it is involved in potentiating hippocampus-related cognitive tasks. Orexin receptors and fibers are present within the hippocampus, but whether these directly modulate hippocampal cells and synapses has not yet been determined. During my thesis, I studied orexinergic actions on excitatory synaptic transmission via whole-cell patch-clamp recordings in rat acute hippocampal slices. I observed that exogenously applied orexin-A (ox-A) exerted a strong inhibitory action on NMDAR-mediated synaptic potentials at mossy fiber (MF)-CA3 synapses, by postsynaptically activating orexin-2 receptors, a minor inhibition at Schaffer collateral-CAl synapses and did not affect other synapses with the CA3 area. Moreover, I demonstrated that the susceptibility of NMDARs to ox- A depends on the tone of endogenous orexin known to fluctuate during the day-night cycle. In fact, in slices prepared during the active period of the rats, when endogenous orexin levels are high, NMDAR-currents were not affected by exogenously applied ox-A. The inhibitory effect of ox-A was, however, reverted when interfering with the orexinergic system through intraperitoneal injections of almorexant, a dual orexin receptor antagonist, during the active phase prior to slice preparation. This thesis work suggests that the orexinergic system regulates NMDAR-dependent information flow through select hippocampal pathways depending on the time-of-day. The specific orexinergic modulation of NMDARs at MFs dampens the excitability of the hippocampal circuit and could impede the mechanisms related to memory formation, possibly also following extended periods of waking. -- La capacité d'apprentissage et de mémorisation est une des fonctions les plus intrigantes de notre cerveau. Il a été montré qu'elles requièrent l'activation des récepteurs NMDA (NMDARs). Ces entités moléculaires sont présentes au niveau de la densité post-synaptique des synapses excitatrices et leur fonction est étroitement contrôlée par l'action de nombreux modulateurs au niveau extracellulaire, intracellulaire et membranaire de ces récepteurs. Une grande partie de la modulation intracellulaire s'effectue via l'action de récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs). Grace à leurs cascades intracellulaires typiquement impliquant des kinases et des phosphatases, les GPCRs favorisent l'activation ou l'inhibition des NMDARs, contrôlant ainsi leur perméabilité mais aussi leur mouvement à la synapse. Les GPCRs sont impliquées dans de nombreuses fonctions cérébrales telles que la cognition, la mémoire ainsi que la capacité d'apprentissage c'est pour cela que leurs effets sur les NMDARs sont très étudiés. Le système orexinergique fait intervenir ces GPCRs et est connu par son rôle dans la régulation de fonctions physiologiques telles que l'éveil, la prise alimentaire, la récompense ainsi que d'autres fonctions du système nerveux autonome. De plus, ce système est impliqué dans la régulation de tâches cognitives liées à l'hippocampe. Bien que les fibres et les récepteurs à l'orexine soient présents dans l'hippocampe, leur mécanisme d'action sur les cellules et les synapses de l'hippocampe n'a pas encore été élucidé. Durant ma thèse, je me suis intéressée aux effets de l'orexine sur la transmission synaptique excitatrice en utilisant la méthode d'enregistrement en patch-clamp en configuration cellule entière sur des tranches aiguës d'hippocampes de rats. J'ai observé que l'application exogène d'orexine A d'une part inhibe fortement les courants synaptiques dépendants de l'activation des NMDARs au niveau de la synapse entre les fibres moussues et CA3 via l'activation post-synaptique des orexine récepteurs 2 mais d'autre part n'inhibe que de façon mineure la synapse entre les collatérales de Schaffer et CAI et n'affecte pas les autres synapses impliquant CA3. J'ai également démontré que la sensibilité des NMDARs à l'orexine A dépend de sa concentration endogène qui fluctue durant le cycle éveil-sommeil. En effet, lorsque les coupes d'hippocampes sont préparées durant la période active de l'animal correspondant à un niveau endogène d'orexine élevé, l'application exogène d'orexine A n'a aucun effet sur les courants dépendants de l'activation des NMDARs. Cependant, l'injection dans le péritoine, durant la phase active de l'animal, d'un antagoniste des orexine récepteurs, l'almorexant, va supprimer l'effet inhibiteur de l'orexine A. Les résultats de ma thèse suggèrent donc que le système orexinergique module les informations véhiculées par les NMDARs via des voies de signalisation sélectives de l'hippocampe en fonction du moment de la journée. La modulation orexinergique des NMDARs au niveau des fibres moussues diminue ainsi l'excitabilité du circuit hippocampal et pourrait entraver les mécanismes liés à la formation de la mémoire, potentiellement après de longues périodes d'éveil.

Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

Inhibition of voltage-gated Na(+) currents in sensory neurones by the sea anemone toxin APETx2.

BACKGROUND AND PURPOSE: APETx2, a toxin from the sea anemone Anthropleura elegantissima, inhibits acid-sensing ion channel 3 (ASIC3)-containing homo- and heterotrimeric channels with IC(50) values < 100 nM and 0.1-2 µM respectively. ASIC3 channels mediate acute acid-induced and inflammatory pain response and APETx2 has been used as a selective pharmacological tool in animal studies. Toxins from sea anemones also modulate voltage-gated Na(+) channel (Na(v) ) function. Here we tested the effects of APETx2 on Na(v) function in sensory neurones.¦EXPERIMENTAL APPROACH: Effects of APETx2 on Na(v) function were studied in rat dorsal root ganglion (DRG) neurones by whole-cell patch clamp.¦KEY RESULTS: APETx2 inhibited the tetrodotoxin (TTX)-resistant Na(v) 1.8 currents of DRG neurones (IC(50) , 2.6 µM). TTX-sensitive currents were less inhibited. The inhibition of Na(v) 1.8 currents was due to a rightward shift in the voltage dependence of activation and a reduction of the maximal macroscopic conductance. The inhibition of Na(v) 1.8 currents by APETx2 was confirmed with cloned channels expressed in Xenopus oocytes. In current-clamp experiments in DRG neurones, the number of action potentials induced by injection of a current ramp was reduced by APETx2.¦CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: APETx2 inhibited Na(v) 1.8 channels, in addition to ASIC3 channels, at concentrations used in in vivo studies. The limited specificity of this toxin should be taken into account when using APETx2 as a pharmacological tool. Its dual action will be an advantage for the use of APETx2 or its derivatives as analgesic drugs.

Rufinamide Attenuates Mechanical Allodynia in a Model of Neuropathic Pain in the Mouse and Stabilizes Voltage-gated Sodium Channel Inactivated State.

BACKGROUND:: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. METHODS:: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. RESULTS:: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6-1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2-2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4-15.5) to 30.0 s (21.8-31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. CONCLUSIONS:: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

Stereoselective block of hERG channel by (S)-methadone and QT interval prolongation in CYP2B6 slow metabolizers.

Methadone inhibits the cardiac potassium channel hERG and can cause a prolonged QT interval. Methadone is chiral but its therapeutic activity is mainly due to (R)-methadone. Whole-cell patch-clamp experiments using cells expressing hERG showed that (S)-methadone blocked the hERG current 3.5-fold more potently than (R)-methadone (IC50s (half-maximal inhibitory concentrations) at 37 degrees C: 2 and 7 microM). As CYP2B6 slow metabolizer (SM) status results in a reduced ability to metabolize (S)-methadone, electrocardiograms, CYP2B6 genotypes, and (R)- and (S)-methadone plasma concentrations were obtained for 179 patients receiving (R,S)-methadone. The mean heart-rate-corrected QT (QTc) was higher in CYP2B6 SMs (*6/*6 genotype; 439+/-25 ms; n=11) than in extensive metabolizers (non *6/*6; 421+/-25 ms; n=168; P=0.017). CYP2B6 SM status was associated with an increased risk of prolonged QTc (odds ratio=4.5, 95% confidence interval=1.2-17.7; P=0.03). This study reports the first genetic factor implicated in methadone metabolism that may increase the risk of cardiac arrhythmias and sudden death. This risk could be reduced by the administration of (R)-methadone.

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.

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

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

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

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

Mineralocorticoid receptor is essential for corticosteroid-induced up-regulation of L-type calcium currents in cultured neonatal cardiomyocytes.

Despite the fact that mineralocorticoid receptor (MR) antagonist drugs such as spironolactone and eplerenone reduce the mortality in heart failure patients, there is, thus far, no unambiguous demonstration of a functional role of MR in cardiac cells. The aim of this work was to investigate the activation pathway(s) mediating corticosteroid-induced up-regulation of cardiac calcium current (ICa). In this study, using neonatal cardiomyocytes from MR or glucocorticoid receptor (GR) knockout (KO) mice, we show that MR is essential for corticosteroid-induced up-regulation of ICa. This study provides the first direct and unequivocal evidence for MR function in the heart.

In vivo reprogramming of circuit connectivity in postmitotic neocortical neurons.

The molecular mechanisms that control how progenitors generate distinct subtypes of neurons, and how undifferentiated neurons acquire their specific identity during corticogenesis, are increasingly understood. However, whether postmitotic neurons can change their identity at late stages of differentiation remains unknown. To study this question, we developed an electrochemical in vivo gene delivery method to rapidly manipulate gene expression specifically in postmitotic neurons. Using this approach, we found that the molecular identity, morphology, physiology and functional input-output connectivity of layer 4 mouse spiny neurons could be specifically reprogrammed during the first postnatal week by ectopic expression of the layer 5B output neuron-specific transcription factor Fezf2. These findings reveal a high degree of plasticity in the identity of postmitotic neocortical neurons and provide a proof of principle for postnatal re-engineering of specific neural microcircuits in vivo.

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

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

Neurophysiological effects of vasopressin and oxytocin in the central amygdala of the rat : a potential mechanism for the opposite modulation of anxiety and fear behavior

Abstract The amygdala is a group of nuclei in the temporal lobe of the brain that plays a crucial role in anxiety and fear behavior. Sensory information converges in the basolateral and lateral nuclei of the amygdala, which have been the first regions in the brain where the acquisition of new (fear) memories has been associated with long term changes in synaptic transmission. These nuclei, in turn, project to the central nucleus of the amygdala. The central amygdala, through its extensive projections to numerous nuclei in the midbrain and brainstem, plays a pivotal role in the orchestration of the rapid autonomic and endocrine fear responses. In the central amygdala a large number of neuropeptides and receptors is expressed, among which high levels of vasopressin and oxytocin receptors. Local injections of these peptides into the amygdala modulate several aspects of the autonomic fear reaction. Interestingly, their effects are opposing: vasopressin tends to enhance the fear reactions, whereas oxytocin has anxiolytic effects. In order to investigate the neurophysiological mechanisms that could underlie this opposing modulation of the fear behavior, we studied the effects of vasopressin and oxytocin on the neuronal activity in an acute brain slice preparation of the rat central amygdala. We first assessed the effects of vasopressin and oxytocin on the spontaneous activity of central amygdala neurons. Extracellular single unit recordings revealed two major populations of neurons: a majority of neurons was excited by vasopressin and inhibited by oxytocin, whereas other neurons were only excited by oxytocin receptor activation. The inhibitory effect of oxytocin could be reduced by the block of GABAergic transmission, whereas the excitatory effects of vasopressin and oxytocin were not affected. In a second step we identified the cellular mechanisms for the excitatory effects of both peptides as well as the morphological and biochemical mechanisms underlying the opposing effects, by using sharp electrode recordings together with intracellular labelings. We revealed that oxytocin-excited neurons are localized in the lateral part (CeL) whereas vasopressin excited cells are found in the medial part of the central amygdala (CeM). The tracing of the neuronal morphology showed that the axon collaterals of the oxytocin-excited neurons project from the CeL, far into the CeM. Combined immunohistochemical stainings indicated that these projections are GABAergic. In the third set of experiments we investigated the synaptic interactions between the two identified cell populations. Whole-cell patch-clamp recordings in the CeM revealed that the inhibitory effect of oxytocin was caused by the massive increase of inhibitory GABAergic currents, which was induced by the activation of CeL neurons. Finally, the effects of vasopressin and oxytocin on evoked activity were investigated. We found on the one hand, that the probability of evoking action potentials in the CeM by stimulating the basolateral amygdala afferents was enhanced under vasopressin, whereas it decreased under oxytocin. On the other hand, the impact of cortical afferents stimulation on the CeL neurons was enhanced by oxytocin application. Taken together, these findings have allowed us to develop a model, in which the opposing behavioral effects of vasopressin and oxytocin are caused by a selective activation of two distinct populations of neurons in the GABAergic network of the central amygdala. Our model could help to develop new anxiolytic treatments, which modulate simultaneously both receptor systems. By acting on a GABAergic network, such treatments can further be tuned by combinations with classical benzodiazepines. Résumé: L'amygdale est un groupe de noyaux cérébraux localisés dans le lobe temporal. Elle joue un rôle essentiel dans les comportements liés à la peur et l'anxiété. L'information issue des aires sensorielles converge vers les noyaux amygdaliens latéraux et basolatéraux, qui sont les projections vers différents noyaux du tronc cérébral et de l'hypothalamus, joue un rôle clef premières régions dans lesquelles il a été démontré que l'acquisition d'une nouvelle mémoire (de peur) était associée à des changements à long terme de la transmission synaptique. Ces noyaux envoient leurs projections sur l'amygdale centrale, qui à travers ses propres dans l'orchestration des réponses autonomes et endocrines de peur. Le contrôle de l'activité neuronale dans l'amygdale centrale module fortement la réaction de peur. Ainsi, un grand nombre de neuropeptides sont spécifiquement exprimés dans l'amygdale centrale et un bon nombre d'entre eux interfère dans la réaction de peur et d'anxiété. Chez les rats, une forte concentration de récepteurs à l'ocytocine et à la vasopressine est exprimée dans le noyau central, et l'injection de ces peptides dans l'amygdale influence différents aspects de la réaction viscérale associée à la peur. Il est intéressant de constater que ces peptides exercent des effets opposés. Ainsi, la vasopressine augmente la réaction de peur alors que l'ocytocine a un effet anxiolytique. Afin d'investiguer les mécanismes neurophysiologiques responsables de ces effets opposés, nous avons étudié l'effet de la vasopressine et de l'ocytocine sur l'activité neuronale de préparations de tranches de cerveau de rats contenant entre autres de l'amygdale centrale. Tout d'abord, notre intérêt s'est porté sur les effets de ces deux neuropeptides sur l'activité spontanée dans l'amygdale centrale. Des enregistrements extracellulaires ont révélé différentes populations de neurones ; une majorité était excitée par la vasopressine et inhibée par l'ocytocine ; d'autres étaient seulement excités par l'activation du récepteur à l'ocytocine. L'effet inhibiteur de l'ocytocine a pu être réduit par l'inhibition de la transmission GABAergique, alors que ses effets excitateurs n'étaient pas affectés. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les mécanismes cellulaires responsables de l'effet excitateur de ces deux peptides et analysé les caractéristiques morphologiques et biochimiques des neurones affectés. Des enregistrements intracellulaires ont permis de localiser les neurones excités par l'ocytocine dans la partie latérale de l'amygdale centrale (CeL), et ceux excités par la vasopressine dans sa partie médiale (CeM). Le traçage morphologique des neurones a révélé que les collatérales axonales des cellules excitées par l'ocytocine projetaient du CeL loin dans le CeM. De plus, des colorations immuno-histochimiques ont révélé que ces projections étaient GABAergiques. Dans un troisième temps, nous avons étudié les interactions synaptiques entre ces deux populations de cellules. Les enregistrements en whole-cell patch-clamp dans le CeM ont démontré que les effets inhibiteurs de l'ocytocine résultaient de l'augmentation massive des courants GABAergique résultant de l'activation des neurones dans le CeL. Finalement, les effets de l'ocytocine et de la vasopressine sur l'activité évoquée ont été étudiés. Nous avons pu montrer que la probabilité d'évoquer un potentiel d'action dans le CeM, par stimulation de l'amygdale basolatérale, était augmentée sous l'effet de la vasopressine et diminuée sous l'action de l'ocytocine. Par contre, l'impact de la stimulation des afférences corticales sur les neurones du CeL était augmenté par l'application de l'ocytocine. L'ensemble de ces résultats nous a permis de développer un modèle dans lequel les effets comportementaux opposés de la vasopressine et de l'ocytocine sont causés par une activation sélective des deux différentes populations de neurones dans un réseau GABAergique. Un tel modèle pourrait mener au développement de nouveaux traitements anxiolytiques en modulant l'activité des deux récepteurs simultanément. En agissant sur un réseau GABAergique, les effets d'un tel traitement pourraient être rendus encore plus sélectifs en association avec des benzodiazépines classiques.