Étude moléculaire des mécanismes d’action de potentiateurs du canal CFTR sur le canal KCa3.1

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces.

Rôle des facteurs physico-chimiques du micro-environnement intestinal et des boucles inter-hélicales du Domaine I dans l’activité de la toxine insecticide Cry9Ca du bacille de Thuringe

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe.

Calmodulin/KCa3.1 channel interactions as determinant to the KCa3.1 Ca2+ dependent gating : theoretical and experimental analyses

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Étude numérique des premières étapes d'agrégation du peptide amyloïde GNNQQNY, impliqué dans une maladie à prion.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer, Parkinson et les maladies à prions et forment des structures complexes, les fibres amyloïdes. Le mécanisme de formation de ces fibres est un processus complexe qui implique plusieurs espèces d’agrégats intermédiaires. Parmi ces espèces, des petits agrégats, les oligomères, sont reconnus comme étant l’espèce amyloïde toxique, mais leur mécanisme de toxicité et d’agrégation sont mal compris. Cette thèse présente les résultats d’une étude numérique des premières étapes d’oligomérisation d’un peptide modèle GNNQQNY, issu d’une protéine prion, pour des systèmes allant du trimère au 50-mère, par le biais de simulations de dynamique moléculaire couplée au potentiel gros-grain OPEP. Nous trouvons que le mécanisme d’agrégation du peptide GNNQQNY suit un processus complexe de nucléation, tel qu’observé expérimentalement pour plusieurs protéines amyloïdes. Nous observons aussi que plusieurs chemins de formation sont accessibles à l’échelle du 20-mère et du 50-mère, ce qui confère aux structures un certain degré de polymorphisme et nous sommes capable de reproduire, dans nos simulations, des oligomères protofibrillaires qui présentent des caractéristiques structurelles observées expérimentalement chez les fibres amyloïdes.

Propriétés électrophysiologiques des canaux ioniques formés par la toxine nématicide Cry5Ba du bacille de Thuringe dans les bicouches lipidiques planes

Les toxines Cry sont des protéines synthétisées sous forme de cristaux par la bactérie bacille de Thuringe pendant la sporulation. Elles sont largement utilisées comme agents de lutte biologique, car elles sont toxiques envers plusieurs espèces d’invertébrées, y compris les nématodes. Les toxines Cry5B sont actives contre certaines espèces de nématodes parasites, y compris Ankylostoma ceylanicum un parasite qui infeste le système gastro-intestinal des humains. Jusqu’au présent, le mode d’action des toxines Cry nématicides reste grandement inconnu, sauf que leurs récepteurs spécifiques sont des glycolipides et qu’elles causent des dommages importants aux cellules intestinales. Dans cette étude, on démontre pour la première fois que la toxine nématicide Cry5Ba, membre de la famille des toxines à trois domaines et produite par la bactérie bacille de Thuringe, forme des pores dans les bicouches lipidiques planes en absence de récepteurs. Les pores formés par cette toxine sont de sélectivité cationique, à pH acide ou alcalin. Les conductances des pores formés sous conditions symétriques de 150 mM de KCl varient entre 17 et 330 pS, à pH 6.0 et 9.0. Les niveaux des conductances les plus fréquemment observés diffèrent les uns des autres par environ 17 à 18 pS, ce qui est compatible avec l’existence d’arrangement d’un nombre différent de pores élémentaires similaires, activés de façon synchronisée, ou avec la présence d’oligomères de tailles variables et de différents diamètres de pores.

Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Pancreatic islets from dexamethasone-treated rats show alterations in global gene expression and mitochondrial pathways

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Intracellular chemical messengers and neuronal function: Two examples

Two distinct classes of neurons have been examined in the nervous system of Aplysia. The membrane properties of these neurons are regulated by intracellular signalling molecules in both a short-term and a long-term fashion.^ The role of the phosphatidylinositol cycle in the control of neuronal properties was studied in a class of bursting pacemaker cells, the left upper-quadrant bursting neurons (cells L2, L3, L4, and L6) of the abdominal ganglion of Aplysia. These cells display a regular burst-firing pattern that is controlled by cyclic changes of intracellular Ca$\sp{2+}$ that occur during the bursting rhythm. The characteristic bursting pattern of these neurons occurs within a range of membrane potentials ($-35$ to $-50$ mV) called the pacemaker range. Intracellular pressure injection of inositol 1,4,5-trisphosphate (IP$\sb3$) altered the bursting rhythm of the bursting cells. Injection of IP$\sb3$ induced a brief depolarization that was followed by a long-lasting (2-15 min) hyperpolarization. When cells were voltage-clamped at potentials within the pacemaker range, injection of IP$\sb3$ generally induced a biphasic response that had a total duration of 2-15 min. An initial inward shift in holding current (I$\sb{\rm in}$), which lasted 5-120 sec, was followed by a slow outward shift in holding current (I$\sb{\rm out}$). At membrane potentials more negative than $-40$ mV, I$\sb{\rm in}$ was associated with a small and relatively voltage-independent increase in membrane conductance. I$\sb{\rm in}$ was not blocked by bath application of TTX or Co$\sp{2+}$. Although I$\sb{\rm in}$ was activated by injection of IP$\sb3$, it was not blocked by iontophoretic injection of ethyleneglycol-bis-(beta-aminoethyl ether), N, N$\sp\prime$-tetraacetic acid (EGTA) sufficient to block the Ca$\sp{2+}$-activated inward tail current (I$\sb{\rm B}$).^ Long-term (lasting at least 24 hours) effects of adenylate cyclase activation were examined in a well characterized class of mechanosensory neurons in Aplysia. The injected cells were analyzed 24 hours later by two-electrode voltage-clamp techniques. We found that K$\sp+$ currents of these cells were reduced 24 hours after injection of cAMP. The currents that were reduced by cAMP were very similar to those found to be reduced 24 hours after behavioral sensitization. These results suggest that cAMP is part of the intracellular signal that induces long-term sensitization in Aplysia. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Proton flux across artificial vesicle bilayers

The study of proton conductance across artificial membranes has revealed a surprisingly high permeability for H+, (Pnet H+). A high Pnet H+ is difficult to reconcile with the biological requirement for the maintenance of pH gradients across the plasma membranes of cells, organellar study was undertaken to examine the role played by cholesterol and phospholipid fatty acid side chain composition in determining how well a membrane will function as a barrier to acid. The effects of counter-ion movement on acidification rates were examined in order to interpret the data obtained from variations in membrane composition. In phosphate buffered saline solutions, vesicle membranes composed of unsaturated fatty acid phosphatidylcholines proved to be poorer barriers to acid than membranes composed of saturated fatty acids. The barrier properties of these membranes could be ranked in the following order: DPL, (palmitic) $>$ Egg PC, (mixed chains) $>$ DLL, (linoleic), with DPL being the most effective in maintaining a one pH unit gradient near neutrality. Cholesterol decreased acidification rates of membranes made from the unsaturated phosphatidylcholines Egg PC and DLL, but enhanced acidification rates in vesicle membranes composed of the saturated phospholipid DPL. The cholesterol and fatty acid side chain effects were mediated by changes in membrane fluidity, with more rigid bilayers forming better barriers to acid. Experimental evidence was obtained which confirmed the Pnet H+ is very high relative to the permeabilities of other ions. Counter-ion controlled acidification rates depended on the size and charge of the ion which was moving in order to maintain electroneutrality. The biological relevance of a high intrinsic Pnet H+ and the possible role of counter-ion controlled acidification were discussed. ^

Quantitative MRI of spinal cord injury in a rat model: Correlative studies

Serial quantitative and correlative studies of experimental spinal cord injury (SCI) in rats were conducted using three-dimensional magnetic resonance imaging (MRI). Correlative measures included morphological histopathology, neurobehavioral measures of functional deficit, and biochemical assays for N-acetyl-aspartate (NAA), lactate, pyruvate, and ATP. A spinal cord injury device was characterized and provided a reproducible injury severity. Injuries were moderate and consistent to within $\pm$20% (standard deviation). For MRI, a three-dimensional implementation of the single spin-echo FATE (Fast optimum angle, short TE) pulse sequence was used for rapid acquisition, with a 128 x 128 x 32 (x,y,z) matrix size and a 0.21 x 0.21 x 1.5 mm resolution. These serial studies revealed a bimodal characteristic in the evolution in MRI pathology with time. Early and late phases of SCI pathology were clearly visualized in $T\sb2$-weighted MRI, and these corresponded to specific histopathological changes in the spinal cord. Centralized hypointense MRI regions correlated with evidence of hemorrhagic and necrotic tissue, while surrounding hyperintense regions represented edema or myelomalacia. Unexpectedly, $T\sb2$-weighted MRI pathology contrast at 24 hours after injury appeared to subside before peaking at 72 hours after injury. This change is likely attributable to ongoing secondary injury processes, which may alter local $T\sb2$ values or reduce the natural anisotropy of the spinal cord. MRI, functional, and histological measures all indicated that 72 hours after injury was the temporal maximum for quantitative measures of spinal cord pathology. Thereafter, significant improvement was seen only in neurobehavioral scores. Significant correlations were found between quantitated MRI pathology and histopathology. Also, NAA and lactate levels correlated with behavioral measures of the level of function deficit. Asymmetric (rostral/caudal) changes in NAA and lactate due to injury indicate that rostral and caudal segments from the injury site are affected differently by the injury. These studies indicate that volumetric quantitation of MRI pathology from $T\sb2$-weighted images may play an important role in early prediction of neurologic deficit and spinal cord pathology. The loss of $T\sb2$ contrast at 24 hours suggests MR may be able to detect certain delayed mechanisms of secondary injury which are not resolved by histopathology or other radiological modalities. Furthermore, in vivo proton magnetic resonance spectroscopy (MRS) studies of SCI may provide a valuable addition source of information about changes in regional spinal cord lactate and NAA levels, which are indicative of local metabolic and pathological changes. ^

Studies on the adhesion properties of the liver-metastatic murine RAW117 large-cell lymphoma cells: Roles of $\beta\sb3$ integrin

Metastasis is the major cause of death in cancer patients. Since many cancers show organ-preference of metastasis, elucidation of the underlying mechanisms of metastasis will benefit diagnosis or treatment of metastatic diseases. Adhesion mechanisms are thought to be involved in organ-preference of metastasis, because metastatic cells show organ preference in adhering to organ-derived microvascular endothelial cells. The adhesion molecules in this process remain largely unidentified. I have examined a series of murine RAW117 large-cell lymphoma cells variants selected in vivo for liver-colonizing properties ($\rm{H10{>>}L17>P}$). The highly liver-metastatic H10 cells were found to differentially express much higher levels of integrin $\alpha\rm\sb{v}\beta\sb3$ than L17 or P cells. H10 cells also adhered at higher rates to vitronectin and fibronectin than to fibrinogen, fibrin, laminin and type I collagen, and adhered at significantly higher rates to (GRGDS)$\sb4$ than to monomeric RGD-peptides. In contrast, P and L17 cells did not adhere well to the above substrates. H10 cells also spread well on vitronectin and migrated toward vitronectin concentration gradients. Pretreament of H10 cells with anti-$\beta\sb3$ monoclonal antibodies resulted in significant decreases in adhesion of H10 cells to vitronectin and immobilized (GRGDS)$\sb4$, and reduced the formation of experimental liver metastases in syngeneic Balb/c mice.^ Adhesion of RAW117 cells under hydrodynamic shear stresses was also studied because tumor cell adhesion occurs under fluid shear stresses in target organ microvessels. Similar to their properties found with static adhesion assays, H10 cells stabilized their hydrodynamic adhesion to vitronectin, fibronectin and (GRGDS)$\sb4$ much more quickly than P or L17 cells. Unlike their static adhesion properties, RAW117 cells showed differential adhesion stabilization to liver-sinusoidal endothelial cell-derived extracellular matrix ($\rm{H10{>>}L17>P}$). Although not supporting static adhesion of RAW117 cells, monomeric RGD-peptides mediated adhesion stabilization of H10 cells but not L17 or P cells. Integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ was found to be involved in stabilizing H10 cell adhesion to vitronectin, (GRGDS)$\sb4$, monomeric RGD-peptide R1, and liver sinusoidal endothelial cell-derived extracellular matrix.^ This study is the first to provide evidence that integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ is differentially expressed in liver-metastatic lymphoma cells and involved in differential adhesion of these cells. The results indicate that strong static adhesion and especially the unique hydrodynamic adhesion of RAW117 cells to the RGD-containing substrates correlate with liver-metastatic potentials. Thus, integrin $\rm\alpha\sb{v}\beta\sb3$ may play an important role in liver-preferential metastasis of RAW117 large-cell lymphoma cells. ^

The effects of ultraviolet B radiation on immune responses to {\it Borrelia burgdorferi}, the causative agent of Lyme disease

Ultraviolet B (UVB) radiation, in addition to being carcinogenic, is also immunosuppressive. Immunologically, UVB induces suppression locally, at the site of irradiation, or systemically, by inducing the production of a variety of immunosuppressive cytokines. Systemic effects include suppression of delayed-type hypersensitivity (DTH) responses to a variety of antigens (e.g. haptens, proteins, bacterial antigens, or alloantigens). One of the principal mediators of UV-induced immune suppression is the T helper-2 (Th2) cytokine interleukin-10 (IL-10); this suggests that UV irradiation induces suppression by shifting the immune response from a Th1 (cellular) to a Th2 (humoral) response. These "opposing" T helper responses are usually mutually exclusive, and polarized Th1 or Th2 responses may lead to either protection from infection or increased susceptibility to disease, depending on the infectious agent and the route of infection.^ This study examines the effects of UVB irradiation on cellular and humoral responses to Borrelia burgdorferi (Bb), the causative agent of Lyme disease (LD) in both immunization and infectious disease models; in addition, it examines the role of T cells in protection from and pathology of Bb infection. Particular emphasis is placed on the Bb-specific antibody responses following irradiation since UVB effects on humoral immunity are not fully understood. Mice were irradiated with a single dose of UV and then immunized (in complete Freund's adjuvant) or infected with Bb (intradermally at the base of the tail) in order to examine both DTH and antibody responses in both systems. UVB suppressed the Th1-associated antibodies IgG2a and IgG2b in both systems, as well as the DTH response to Bb in a dose dependent manner. Injection of anti-IL-10 antibody into UV-irradiated mice within 24 h after UV exposure restored the DTH response, as well as the Th1 antibody (IgG2a and IgG2b) response. In addition, injecting recombinant IL-10 mimicked some of the effects of UV radiation.^ Bb-specific Th1 T cell lines (BAT2.1-2.3) were generated to examine the role of T cells in Lyme borreliosis. All lines were CD4$\sp+,$ $\alpha\beta\sp+$ and proliferated specifically in response to Bb. The BAT2 cell lines not only conferred a DTH response to naive C3H recipients, but reduced the number of organisms recovered from the blood and tissues of mice infected with Bb. Furthermore, BAT2 cell lines protected mice from Bb-induced periarthritis. ^