Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Architectural and Functional Similarities between Trimeric ATP-Gated P2X Receptors and Acid-Sensing Ion Channels

ATP-gated P2X receptors and acid-sensing ion channels are two distinct ligand-gated ion channels that assemble into trimers. They are involved in many important physiological functions such as pain sensation and are recognized as important therapeutic targets. They have unrelated primary structures and respond to different ligands (ATP and protons) and are thus considered as two different ion channels. As a consequence, comparisons of the biophysical properties and underlying mechanisms have only been rarely made between these two channels. However, the recent determination of their molecular structures by X-ray crystallography has revealed unexpected parallels in the architecture of the two pores, providing a basis for possible functional analogies. In this review, we analyze the structural and functional similarities that are shared by these trimeric ion channels, and we outline key unanswered questions that, if addressed experimentally, may help us to elucidate how two unrelated ion channels have adopted a similar fold of the pore.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

International union of basic and clinical pharmacology. XCI. structure, function, and pharmacology of acid-sensing ion channels and the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na(+) channel (ENaC) and the acid-sensing ion channels (ASICs) form subfamilies within the ENaC/degenerin family of Na(+) channels. ENaC mediates transepithelial Na(+) transport, thereby contributing to Na(+) homeostasis and the maintenance of blood pressure and the airway surface liquid level. ASICs are H(+)-activated channels found in central and peripheral neurons, where their activation induces neuronal depolarization. ASICs are involved in pain sensation, the expression of fear, and neurodegeneration after ischemia, making them potentially interesting drug targets. This review summarizes the biophysical properties, cellular functions, and physiologic and pathologic roles of the ASIC and ENaC subfamilies. The analysis of the homologies between ENaC and ASICs and the relation between functional and structural information shows many parallels between these channels, suggesting that some mechanisms that control channel activity are shared between ASICs and ENaC. The available crystal structures and the discovery of animal toxins acting on ASICs provide a unique opportunity to address the molecular mechanisms of ENaC and ASIC function to identify novel strategies for the modulation of these channels by pharmacologic ligands.

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.

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.

Selective regulation of acid-sensing ion channel 1 by serine proteases.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family. ASICs are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. Conditions of low extracellular pH, such as ischemia and inflammation in which ASICs are thought to be active, are accompanied by increased protease activity. We show here that serine proteases modulate the function of ASIC1a and ASIC1b but not of ASIC2a and ASIC3. We show that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1a activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in current response if ASIC1a is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of approximately 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provide evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in neurons. Thus, we have identified a mechanism that modulates ASIC function and may allow ASIC1a to adapt its gating to situations of persistent extracellular acidification.

Subtype-specific Modulation of Acid-sensing Ion Channel (ASIC) Function by 2-Guanidine-4-methylquinazoline.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+)-selective channels that are transiently activated by extracellular acidification. ASICs are involved in fear and anxiety, learning, neurodegeneration after ischemic stroke, and pain sensation. The small molecule 2-guanidine-4-methylquinazoline (GMQ) was recently shown to open ASIC3 at physiological pH. We have investigated the mechanisms underlying this effect and the possibility that GMQ may alter the function of other ASICs besides ASIC3. GMQ shifts the pH dependence of activation to more acidic pH in ASIC1a and ASIC1b, whereas in ASIC3 this shift goes in the opposite direction and is accompanied by a decrease in its steepness. GMQ also induces an acidic shift of the pH dependence of inactivation of ASIC1a, -1b, -2a, and -3. As a consequence, the activation and inactivation curves of ASIC3 but not other ASICs overlap in the presence of GMQ at pH 7.4, thereby creating a window current. At concentrations >1 mm, GMQ decreases maximal peak currents by reducing the unitary current amplitude. Mutation of residue Glu-79 in the palm domain of ASIC3, previously shown to be critical for channel opening by GMQ, disrupted the GMQ effects on inactivation but not activation. This suggests that this residue is involved in the consequences of GMQ binding rather than in the binding interaction itself. This study describes the mechanisms underlying the effects of a novel class of ligands that modulate the function of all ASICs as well as activate ASIC3 at physiological pH.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

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

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

Extracellular Subunit Interactions Control Transitions between Functional States of Acid-sensing Ion Channel 1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal, voltage-independent Na(+) channels that are transiently activated by extracellular acidification. They are involved in pain sensation, the expression of fear, and in neurodegeneration after ischemic stroke. Our study investigates the role of extracellular subunit interactions in ASIC1a function. We identified two regions involved in critical intersubunit interactions. First, formation of an engineered disulfide bond between the palm and thumb domains leads to partial channel closure. Second, linking Glu-235 of a finger loop to either one of two different residues of the knuckle of a neighboring subunit opens the channel at physiological pH or disrupts its activity. This suggests that one finger-knuckle disulfide bond (E235C/K393C) sets the channel in an open state, whereas the other (E235C/Y389C) switches the channel to a non-conducting state. Voltage-clamp fluorometry experiments indicate that both the finger loop and the knuckle move away from the β-ball residue Trp-233 during acidification and subsequent desensitization. Together, these observations reveal that ASIC1a opening is accompanied by a distance increase between adjacent thumb and palm domains as well as a movement of Glu-235 relative to the knuckle helix. Our study identifies subunit interactions in the extracellular loop and shows that dynamic changes of these interactions are critical for normal ASIC function.

An acid-sensing ion channel that detects ischemic pain

Ischemic pain occurs when there is insufficient blood flow for the metabolic needs of an organ. The pain of a heart attack is the prototypical example. Multiple compounds released from ischemic muscle likely contribute to this pain by acting on sensory neurons that innervate muscle. One such compound is lactic acid. Here, we show that ASIC3 (acid-sensing ion channel #3) has the appropriate expression pattern and physical properties to be the detector of this lactic acid. In rats, it is expressed only in sensory neurons and then only on a minority (~40%) of these. Nevertheless, it is expressed at extremely high levels on virtually all dorsal root ganglion sensory neurons that innervate the heart. It is extraordinarily sensitive to protons (Hill slope 4, half-activating pH 6.7), allowing it to readily respond to the small changes in extracellular pH (from 7.4 to 7.0) that occur during muscle ischemia. Moreover, both extracellular lactate and extracellular ATP increase the sensitivity of ASIC3 to protons. This final property makes ASIC3 a "coincidence detector" of three molecules that appear during ischemia, thereby allowing it to better detect acidosis caused by ischemia than other forms of systemic acidosis such as hypercapnia.

Acid-sensing channels in human bladder: expression, function and alterations during bladder pain syndrome.

Purpose: To examine the possible role of H+-activated acid-sensing ion channels (ASICs) in pain perception we characterized their expression in bladder dome biopsies of Bladder Pain Syndrome (BPS) patients and controls, in cultured human urothelium and in urothelial TEU-2 cells.Materials and Methods: Cold cut biopsies from the bladder dome were obtained in 8 asymptomatic controls and 28 patients with symptoms of BPS. ASIC expression was analyzed by QPCR and immunofluorescence. The channel function was measured by electrophysiology.Results: ASIC1a, ASIC2a and ASIC3 mRNAs were detected in human bladder. Similar amounts of ASIC1a and -3 were detected in detrusor smooth muscle, whereas in urothelium ASIC3 levels were higher than -1a. ASIC2a mRNA levels were lower than either -1a or -3 in both layers. ASIC currents were measured in TEU-2 cells and in primary cultures of human urothelium, and ASIC expression was confirmed by QPCR. Differentiation of TEU-2 cells caused an up-regulation of ASIC2a and ASIC3, and a down-regulation of ASIC1a mRNAs. BPS patients showed an up-regulation of ASIC2a and -3 mRNA, whereas ASIC1a remained unchanged. In contrast, the mRNA levels of TRPV1 were down-regulated during BPS. All differences were statistically significant (p<0.05)Conclusions: Several different ASIC subunits are expressed in human bladder and TEU-2 cells, where their levels are regulated during urothelial differentiation. An up-regulation of ASIC2a and -3 in BPS suggests their involvement in increased pain and hyperalgesia. A down-regulation of TRPV1 mRNA levels might indicate a different regulatory mechanism, controlling its expression in human bladder.

The Human Acid-Sensing Ion Channel ASIC1a: Evidence for a Homotetrameric Assembly State at the Cell Surface.

The chicken acid-sensing ion channel ASIC1 has been crystallized as a homotrimer. We address here the oligomeric state of the functional ASIC1 in situ at the cell surface. The oligomeric states of functional ASIC1a and mutants with additional cysteines introduced in the extracellular pore vestibule were resolved on SDS-PAGE. The functional ASIC1 complexes were stabilized at the cell surface of Xenopus laevis oocytes or CHO cells either using the sulfhydryl crosslinker BMOE, or sodium tetrathionate (NaTT). Under these different crosslinking conditions ASIC1a migrates as four distinct oligomeric states that correspond by mass to multiples of a single ASIC1a subunit. The relative importance of each of the four ASIC1a oligomers was critically dependent on the availability of cysteines in the transmembrane domain for crosslinking, consistent with the presence of ASIC1a homo-oligomers. The expression of ASIC1a monomers, trimeric or tetrameric concatemeric cDNA constructs resulted in functional channels. The resulting ASIC1a complexes are resolved as a predominant tetramer over the other oligomeric forms, after stabilization with BMOE or NaTT and SDS-PAGE/western blot analysis. Our data identify a major ASIC1a homotetramer at the surface membrane of the cell expressing functional ASIC1a channel.

Acid-sensing ion channel 1a drives AMPA receptor plasticity following ischemia and acidosis in hippocampal CA1 neurons

The CA1 region of the hippocampus is particularly vulnerable to ischemic damage. While NMDA receptors play a major role in excitotoxicity, it is thought to be exacerbated in this region by two forms of post-ischemic AMPA receptor (AMPAR) plasticity - namely, anoxic long-term potentiation (a-LTP), and a delayed increase in the prevalence of Ca2+ -permeable GluA2-lacking AMPARs (CP-AMPARs). The acid-sensing ion channel 1a (ASIC1a) which is expressed in CA1 pyramidal neurons, is also known to contribute to post-ischemic neuronal death and to physiologically induced LTP. This raises the question - does ASIC1a activation drive the post-ischemic forms of AMPAR plasticity in CA1 pyramidal neurons? We have tested this by examining organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs) exposed to oxygen glucose deprivation (OGD), and dissociated cultures of hippocampal pyramidal neurons (HPN) exposed to low pH (acidosis). We find that both a-LTP and the delayed increase in the prevalence of CP-AMPARs are dependent on ASIC1a activation during ischemia. Indeed, acidosis alone is sufficient to induce the increase in CP-AMPARs. We also find that inhibition of ASIC1a channels circumvents any potential neuroprotective benefit arising from block of CP-AMPARs. By demonstrating that ASIC1a activation contributes to post-ischemic AMPAR plasticity, our results identify a functional interaction between acidotoxicity and excitotoxicity in hippocampal CA1 cells, and provide insight into the role of ASIC1a and CP-AMPARs as potential drug targets for neuroprotection. We thus propose that ASIC1a activation can drive certain forms of CP-AMPAR plasticity, and that inhibiting ASIC1a affords neuroprotection.