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

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

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

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

GLUT2 is a high affinity glucosamine transporter.

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

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.

Mechanism of urinary calcium regulation by urinary magnesium and pH.

Urinary magnesium and pH are known to modulate urinary calcium excretion, but the mechanisms underlying these relationships are unknown. In this study, the data from 17 clinical trials in which urinary magnesium and pH were pharmacologically manipulated were analyzed, and it was found that the change in urinary calcium excretion is directly proportional to the change in magnesium excretion and inversely proportional to the change in urine pH; a regression equation was generated to relate these variables (R(2) = 0.58). For further exploration of these relationships, intravenous calcium chloride, magnesium chloride, or vehicle was administered to rats. Magnesium infusion significantly increased urinary calcium excretion (normalized to urinary creatinine), but calcium infusion did not affect magnesium excretion. Parathyroidectomy did not prevent this magnesium-induced hypercalciuria. The effect of magnesium loading on calciuria was still observed after treatment with furosemide, which disrupts calcium and magnesium absorption in the thick ascending limb, suggesting that the effect may be mediated by the distal nephron. The calcium channel TRPV5, normally present in the distal tubule, was expressed in Xenopus oocytes. Calcium uptake by TRPV5 was directly inhibited by magnesium and low pH. In summary, these data are compatible with the hypothesis that urinary magnesium directly inhibits renal calcium absorption, which can be negated by high luminal pH, and that this regulation likely takes place in the distal tubule.

FXYD Proteins Reverse Inhibition of the Na+-K+ Pump Mediated by Glutathionylation of Its {beta}1 Subunit.

The seven members of the FXYD protein family associate with the Na(+)-K(+) pump and modulate its activity. We investigated whether conserved cysteines in FXYD proteins are susceptible to glutathionylation and whether such reactivity affects Na(+)-K(+) pump function in cardiac myocytes and Xenopus oocytes. Glutathionylation was detected by immunoblotting streptavidin precipitate from biotin-GSH loaded cells or by a GSH antibody. Incubation of myocytes with recombinant FXYD proteins resulted in competitive displacement of native FXYD1. Myocyte and Xenopus oocyte pump currents were measured with whole-cell and two-electrode voltage clamp techniques, respectively. Native FXYD1 in myocytes and FXYD1 expressed in oocytes were susceptible to glutathionylation. Mutagenesis identified the specific cysteine in the cytoplasmic terminal that was reactive. Its reactivity was dependent on flanking basic amino acids. We have reported that Na(+)-K(+) pump β(1) subunit glutathionylation induced by oxidative signals causes pump inhibition in a previous study. In the present study, we found that β(1) subunit glutathionylation and pump inhibition could be reversed by exposing myocytes to exogenous wild-type FXYD3. A cysteine-free FXYD3 derivative had no effect. Similar results were obtained with wild-type and mutant FXYD proteins expressed in oocytes. Glutathionylation of the β(1) subunit was increased in myocardium from FXYD1(-/-) mice. In conclusion, there is a dependence of Na(+)-K(+) pump regulation on reactivity of two specifically identified cysteines on separate components of the multimeric Na(+)-K(+) pump complex. By facilitating deglutathionylation of the β(1) subunit, FXYD proteins reverse oxidative inhibition of the Na(+)-K(+) pump and play a dynamic role in its regulation.

Transcriptional regulatory patterns of the myelin basic protein and malic enzyme genes by the thyroid hormone receptors alpha1 and beta1.

While there is evidence that the two ubiquitously expressed thyroid hormone (T3) receptors, TRalpha1 and TRbeta1, have distinct functional specificities, the mechanism by which they discriminate potential target genes remains largely unexplained. In this study, we demonstrate that the thyroid hormone response elements (TRE) from the malic enzyme and myelin basic protein genes (METRE and MBPTRE) respectively, are not functionally equivalent. The METRE, which is a direct repeat motif with a 4-base pair gap between the two half-site hexamers binds thyroid hormone receptor as a heterodimer with 9-cis-retinoic acid receptor (RXR) and mediates a high T3-dependent activation in response to TRalpha1 or TRbeta1 in NIH3T3 cells. In contrast, the MBPTRE, which consists of an inverted palindrome formed by two hexamers spaced by 6 base pairs, confers an efficient transactivation by TRbeta1 but a poor transactivation by TRalpha1. While both receptors form heterodimers with RXR on MBPTRE, the poor transactivation by TRalpha1 correlates also with its ability to bind efficiently as a monomer. This monomer, which is only observed with TRalpha1 bound to MBPTRE, interacts neither with N-CoR nor with SRC-1, explaining its functional inefficacy. However, in Xenopus oocytes, in which RXR proteins are not detectable, the transactivation mediated by TRalpha1 and TRbeta1 is equivalent and independent of a RXR supply, raising the question of the identity of the thyroid hormone receptor partner in these cells. Thus, in mammalian cells, the binding characteristics of TRalpha1 to MBPTRE (i.e. high monomer binding efficiency and low transactivation activity) might explain the particular pattern of T3 responsiveness of MBP gene expression during central nervous system development.

RasGAP Shields Akt from Deactivating Phosphatases in Fibroblast Growth Factor Signaling but Loses This Ability Once Cleaved by Caspase-3.

Fibroblast growth factor receptors (FGFRs) are involved in proliferative and differentiation physiological responses. Deregulation of FGFR-mediated signaling involving the Ras/PI3K/Akt and the Ras/Raf/ERK MAPK pathways is causally involved in the development of several cancers. The caspase-3/p120 RasGAP module is a stress sensor switch. Under mild stress conditions, RasGAP is cleaved by caspase-3 at position 455. The resulting N-terminal fragment, called fragment N, stimulates anti-death signaling. When caspase-3 activity further increases, fragment N is cleaved at position 157. This generates a fragment, called N2, that no longer protects cells. Here, we investigated in Xenopus oocytes the impact of RasGAP and its fragments on FGF1-mediated signaling during G2/M cell cycle transition. RasGAP used its N-terminal Src homology 2 domain to bind FGFR once stimulated by FGF1, and this was necessary for the recruitment of Akt to the FGFR complex. Fragment N, which did not associate with the FGFR complex, favored FGF1-induced ERK stimulation, leading to accelerated G2/M transition. In contrast, fragment N2 bound the FGFR, and this inhibited mTORC2-dependent Akt Ser-473 phosphorylation and ERK2 phosphorylation but not phosphorylation of Akt on Thr-308. This also blocked cell cycle progression. Inhibition of Akt Ser-473 phosphorylation and entry into G2/M was relieved by PHLPP phosphatase inhibition. Hence, full-length RasGAP favors Akt activity by shielding it from deactivating phosphatases. This shielding was abrogated by fragment N2. These results highlight the role played by RasGAP in FGFR signaling and how graded stress intensities, by generating different RasGAP fragments, can positively or negatively impact this signaling.

Structural and functional properties of two human FXYD3 (Mat-8) isoforms.

Six of 7 FXYD proteins have been shown to be tissue-specific modulators of Na,K-ATPase. In this study, we have identified two splice variants of human FXYD3, or Mat-8, in CaCo-2 cells. Short human FXYD3 has 72% sequence identity with mouse FXYD3, whereas long human FXYD3 is identical to short human FXYD3 but has a 26-amino acid insertion after the transmembrane domain. Short and long human FXYD3 RNAs and proteins are differentially expressed during differentiation of CaCo-2 cells. Long human FXYD3 is mainly expressed in nondifferentiated cells and short human FXYD3 in differentiated cells and both FXYD3 variants can be co-immunoprecipitated with a Na,K-ATPase antibody. In contrast to mouse FXYD3, which has two transmembrane domains for lack of cleavage of the signal peptide, human FXYD3 has a cleavable signal peptide and adopts a type I topology. After co-expression in Xenopus oocytes, both human FXYD3 variants associate stably only with Na,K-ATPase isozymes but not with H,K-ATPase or Ca-ATPase. Similar to mouse FXYD3, short human FXYD3 decreases the apparent K(+) and Na(+) affinity of Na,K-ATPase over a large range of membrane potentials. On the other hand, long human FXYD3 decreases the apparent K(+) affinity only at slightly negative and positive membrane potentials and increases the apparent Na(+) affinity of Na,K-ATPase. Finally, both short and long human FXYD3 induce a hyperpolarization activated current, similar to that induced by mouse FXYD3. Thus, we have characterized two human FXYD3 isoforms that are differentially expressed in differentiated and non-differentiated cells and show different functional properties.

Connexin domains relevant to the chemical gating of gap junction channels

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

Functional characterization and localization of AQP3 in the human colon

Water channels or aquaporins (AQPs) have been identified in a large variety of tissues. Nevertheless, their role in the human gastrointestinal tract, where their action is essential for the reabsorption and secretion of water and electrolytes, is still unclear. The purpose of the present study was to investigate the structure and function of water channels expressed in the human colon. A cDNA fragment of about 420 bp with a 98% identity to human AQP3 was amplified from human stomach, small intestine and colon by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and a transcript of 2.2 kb was expressed more abundantly in colon than in jejunum, ileum and stomach as indicated by Northern blots. Expression of mRNA from the colon of adults and children but not from other gastrointestinal regions in Xenopus oocytes enhanced the osmotic water permeability, and the urea and glycerol transport in a manner sensitive to an antisense AQP3 oligonucleotide, indicating the presence of functional AQP3. Immunocytochemistry and immunofluorescence studies in human colon revealed that the AQP3 protein is restricted to the villus epithelial cells. The immunostaining within these cells was more intense in the apical than in the basolateral membranes. The presence of AQP3 in villus epithelial cells suggests that AQP3 is implicated in water absorption across human colonic surface cells.

TMEM16 proteins: the long awaited calcium-activated chloride channels?

Currents mediated by calcium-activated chloride channels (CaCCs), observed for the first time in Xenopus oocytes, have been recorded in many cells and tissues ranging from different types of neurons to epithelial and muscle cells. CaCCs play a role in the regulation of excitability in neurons including sensory receptors. In addition, they are crucial mediators of chloride movements in epithelial cells where their activity regulates electrolyte and fluid transport. The roles of CaCCs, particularly in epithelia, are briefly reviewed with emphasis on their function in secretory epithelia. The recent identification by three independent groups, using different strategies, of TMEM16A as the molecular counterpart of the CaCC is discussed. TMEM16A is part of a family that has 10 other members in mice. The discovery of the potential TMEM16 anion channel activity opens the way for the molecular investigation of the role of these anion channels in specific cells and in organ physiology and pathophysiology. The identification of TMEM16A protein as a CaCC chloride channel molecule represents a great triumph of scientific perseverance and ingenuity. The varied approaches used by the three independent research groups also augur well for the solidity of the discovery.

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Rôle de l’extrémité C-terminale dans l’expression du canal calcique Cav1.2 à la membrane plasmique

Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane.

Pathogenèse moléculaire de la neuropathie sensitive et motrice héréditaire avec agénésie du corps calleux

La neuropathie sensitive et motrice héréditaire avec agénésie du corps calleux (NSMH/ACC) se traduit par une atteinte neurodégénérative sévère associée à des anomalies développementales dans le système nerveux central et du retard mental. Bien que rare dans le monde, ce désordre autosomique récessif est particulièrement fréquent dans la population Québécoise du Canada Français du fait d’un effet fondateur. L’unique étude réalisée sur la mutation québécoise du gène qui code pour le co-transporteur de potassiumchlore 3 (KCC3) a montré qu’il y a une perte de fonction de la protéine. Cependant, la maladie est également retrouvée hors du Québec et il reste encore à élucider les pathomécanismes mis en jeu. Nous avons donc séquencé les 26 exons du gène KCC3 chez des individus recrutés dans le monde entier et suspectés d’être atteints de la maladie. Nous avons ainsi identifié trois nouvelles mutations. L’étude fonctionnelle de ces mutations nous a confirmé la perte de fonction systématique des co-transporteurs mutés. Puisque l’inactivation de KCC3 se produit majoritairement via l’élimination de segments peptidiques en C-terminus, nous avons concentré notre attention sur l’identification des interactions qui s’y produisent. À l’aide d’approches double hybride, pull-down et immunomarquage, nous avons déterminé que KCC3 interagit avec la créatine kinase CK-B et que cette interaction est perturbée par les mutations tronquantes. De plus, l’utilisation d’un inhibiteur de créatine kinase inactive KCC3, ce qui démontre qu’il existe bien un lien fonctionnel et pathologique entre KCC3 et ses partenaires C-terminaux. Nous avons aussi identifié des anomalies majeures de localisation membranaire des KCC3 mutés. Que KCC3 soit tronqué ou pleine longueur, sa distribution subcellulaire est affectée dans des cellules en culture, dans les ovocytes de Xenopes et dans des échantillons de cerveau de patients. La perte d’interaction entre KCC3 et CK-B et/ou les défauts de transit intracellulaire de KCC3 sont donc les mécanismes pathologiques majeurs de la NSMH/ACC.