CFTR expression is regulated during both the cycle of the seminiferous epithelium and the oestrous cycle of rodents

Severely reduced fertility is a common finding in cystic fibrosis (CF). We used in situ hybridization to examine the cell-specific expression of CFTR in the reproductive organs of rodents. In males CFTR mRNA is found in the round spermatids (spermatogenic stages V-X) and in the principal cells that line the initial segment of the epididymis. In both the testis and the epididymis, CFTR expression is developmentally regulated suggesting that the defect in the genital tract of male CF patients is of developmental origin. CFTR expression in the luminal and glandular epithelium of the uterus is regulated during the oestrous cycle and is maximal at pro-oestrus. Our results provide a biological rationale for the reduced fertility of CF patients, and suggest a possible cause for the comparatively poorer prognosis for women with CF.

A complex intronic enhancer regulates expression of the CFTR gene by direct interaction with the promoter.

Genes can maintain spatiotemporal expression patterns by long-range interactions between cis-acting elements. The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator gene (CFTR) is expressed primarily in epithelial cells. An element located within a DNase I-hypersensitive site (DHS) 10 kb into the first intron was previously shown to augment CFTR promoter activity in a tissue-specific manner. Here, we reveal the mechanism by which this element influences CFTR transcription. We employed a high-resolution method of mapping DHS using tiled microarrays to accurately locate the intron 1 DHS. Transfection of promoter-reporter constructs demonstrated that the element displays classical tissue-specific enhancer properties and can independently recruit factors necessary for transcription initiation. In vitro DNase I footprinting analysis identified a protected region that corresponds to a conserved, predicted binding site for hepatocyte nuclear factor 1 (HNF1). We demonstrate by electromobility shift assays (EMSA) and chromatin immunoprecipitation (ChIP) that HNF1 binds to this element both in vitro and in vivo. Moreover, using chromosome conformation capture (3C) analysis, we show that this element interacts with the CFTR promoter in CFTR-expressing cells. These data provide the first insight into the three- dimensional (3D) structure of the CFTR locus and confirm the contribution of intronic cis-acting elements to the regulation of CFTR gene expression.

A CFTR Potentiator in Patients with Cystic Fibrosis and the G551D Mutation

Background:

Increasing the activity of defective cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein is a potential treatment for cystic fibrosis.

Methods:

We conducted a randomized, double-blind, placebo-controlled trial to evaluate ivacaftor (VX-770), a CFTR potentiator, in subjects 12 years of age or older with cystic fibrosis and at least one G551D-CFTR mutation. Subjects were randomly assigned to receive 150 mg of ivacaftor every 12 hours (84 subjects, of whom 83 received at least one dose) or placebo (83, of whom 78 received at least one dose) for 48 weeks. The primary end point was the estimated mean change from baseline through week 24 in the percent of predicted forced expiratory volume in 1 second (FEV1).

Results:

The change from baseline through week 24 in the percent of predicted FEV1 was greater by 10.6 percentage points in the ivacaftor group than in the placebo group (P < 0.001). Effects on pulmonary function were noted by 2 weeks, and a significant treatment effect was maintained through week 48. Subjects receiving ivacaftor were 55% less likely to have a pulmonary exacerbation than were patients receiving placebo, through week 48 (P < 0.001). In addition, through week 48, subjects in the ivacaftor group scored 8.6 points higher than did subjects in the placebo group on the respiratory-symptoms domain of the Cystic Fibrosis Questionnaire-revised instrument (a 100-point scale, with higher numbers indicating a lower effect of symptoms on the patient's quality of life) (P < 0.001). By 48 weeks, patients treated with ivacaftor had gained, on average, 2.7 kg more weight than had patients receiving placebo (P < 0.001). The change from baseline through week 48 in the concentration of sweat chloride, a measure of CFTR activity, with ivacaftor as compared with placebo was -48.1 mmol per liter (P < 0.001). The incidence of adverse events was similar with ivacaftor and placebo, with a lower proportion of serious adverse events with ivacaftor than with placebo (24% vs. 42%).

Conclusions:

Ivacaftor was associated with improvements in lung function at 2 weeks that were sustained through 48 weeks. Substantial improvements were also observed in the risk of pulmonary exacerbations, patient-reported respiratory symptoms, weight, and concentration of sweat chloride.

Burkholderia cenocepacia-induced delay of acidification and phagolysosomal fusion in cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)-defective macrophages

The Burkholderia cepacia complex (Bcc) is a group of opportunistic bacteria chronically infecting the airways of patients with cystic fibrosis (CF). Several laboratories have shown that Bcc members, in particular B. cenocepacia, survive within a membrane-bound vacuole inside phagocytic and epithelial cells. We have previously demonstrated that intracellular B. cenocepacia causes a delay in phagosomal maturation, as revealed by impaired acidification and slow accumulation of the late phagolysosomal marker LAMP-1. In this study, we demonstrate that uninfected cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)-defective macrophages or normal macrophages treated with a CFTR-specific drug inhibitor display normal acidification. However, after ingestion of B. cenocepacia, acidification and phagolysosomal fusion of the bacteria-containing vacuoles occur in a lower percentage of CFTR-negative macrophages than CFTR-positive cells, suggesting that loss of CFTR function contributes to enhance bacterial intracellular survival. The CFTR-associated phagosomal maturation defect was absent in macrophages exposed to heat-inactivated B. cenocepacia and macrophages infected with a non-CF pathogen such as Salmonella enterica, an intracellular pathogen that once internalized rapidly traffics to acidic compartments that acquire lysosomal markers. These results suggest that not only a defective CFTR but also viable B. cenocepacia are required for the altered trafficking phenotype. We conclude that CFTR may play a role in the mechanism of clearance of the intracellular infection, as we have shown before that B. cenocepacia cells localized to the lysosome lose cell envelope integrity. Therefore, the prolonged maturation arrest of the vacuoles containing B. cenocepacia within cftr(-/-) macrophages could be a contributing factor in the persistence of the bacteria within CF patients.

Depletion of the ubiquitin-binding adaptor molecule SQSTM1/p62 from macrophages harboring cftr ΔF508 mutation improves the delivery of Burkholderia cenocepacia to the autophagic machinery

Cystic fibrosis is the most common inherited lethal disease in Caucasians. It is caused by mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), of which the cftr ?F508 mutation is the most common. ?F508 macrophages are intrinsically defective in autophagy because of the sequestration of essential autophagy molecules within unprocessed CFTR aggregates. Defective autophagy allows Burkholderia cenocepacia (B. cepacia) to survive and replicate in ?F508 macrophages. Infection by B. cepacia poses a great risk to cystic fibrosis patients because it causes accelerated lung inflammation and, in some cases, a lethal necrotizing pneumonia. Autophagy is a cell survival mechanism whereby an autophagosome engulfs non-functional organelles and delivers them to the lysosome for degradation. The ubiquitin binding adaptor protein SQSTM1/p62 is required for the delivery of several ubiquitinated cargos to the autophagosome. In WT macrophages, p62 depletion and overexpression lead to increased and decreased bacterial intracellular survival, respectively. In contrast, depletion of p62 in ?F508 macrophages results in decreased bacterial survival, whereas overexpression of p62 leads to increased B. cepacia intracellular growth. Interestingly, the depletion of p62 from ?F508 macrophages results in the release of the autophagy molecule beclin1 (BECN1) from the mutant CFTR aggregates and allows its redistribution and recruitment to the B. cepacia vacuole, mediating the acquisition of the autophagy marker LC3 and bacterial clearance via autophagy. These data demonstrate that p62 differentially dictates the fate of B. cepacia infection in WT and ?F508 macrophages.

Assessment of clinical response to ivacaftor with lung clearance index in cystic fibrosis patients with a G551D-CFTR mutation and preserved spirometry:A randomised controlled trial

Background: Ivacaftor has shown a clinical benefit in patients with cystic fibrosis who have the G551D-CFTR mutation and reduced lung function. Lung clearance index (LCI) using multiple-breath washout might be an alternative to and more sensitive method than forced expiratory volume in 1 s (FEV₁) to assess treatment response in the growing number of children and young adults with cystic fibrosis who have normal spirometry. The aim of the study was to assess the treatment effects of ivacaftor on LCI in patients with cystic fibrosis, a G551D-CFTR mutation, and an FEV₁ >90% predicted. Methods: This phase 2, multicentre, placebo-controlled, double-blind 2×2 crossover study of ivacaftor treatment was conducted in patients with cystic fibrosis, at least one G551D-CFTR allele, and an FEV₁ >90% predicted. Patients also had to have an LCI higher than 7·4 at screening, age of 6 years or older, and a weight higher than or equal to 15 kg. Eligible patients were randomly allocated to receive one of two treatment sequences (placebo first followed by ivacaftor 150 mg twice daily [sequence 1] or ivacaftor 150 mg twice daily first followed by placebo [sequence 2]) of 28 days' treatment in each period, with a 28-day washout between the two treatment periods. Randomisation (ratio 1:1) was done with block sizes of 4, and all site personnel including the investigator, the study monitor, and the Vertex study team were masked to treatment assignment. The primary outcome measure was change from baseline in LCI. The study is registered at ClinicalTrials.gov, NCT01262352. Findings: Between February and November, 2011, 21 patients were enrolled, of which 11 were assigned to the sequence 1 group, and 10 to the sequence 2 group. 20 of these patients received treatment and 17 completed the trial (eight in sequence 1 group and 9 in sequence 2 group). Treatment with ivacaftor led to significant improvements compared with placebo in LCI (difference between groups in the average of mean changes from baseline at days 15 and 29 was -2·16 [95% CI -2·88 to -1·44]; p<0·0001). Adverse events experienced by study participants were similar between treatment groups; at least one adverse event was reported by 15 (79%) of 19 patients who received placebo and 13 (72%) of 18 patients who received ivacaftor. No deaths occurred during study period. Interpretation: In patients with cystic fibrosis aged 6 years or older who have at least one G551D-CFTR allele, ivacaftor led to improvements in LCI. LCI might be a more sensitive alternative to FEV₁ in detecting response to intervention in these patients with mild lung disease. Funding: Vertex Pharmaceuticals Incorporated. © 2013 Elsevier Ltd.

Efficacy and safety of ivacaftor in patients with cystic fibrosis who have an Arg117His-CFTR mutation: a double-blind, randomised controlled trial

BACKGROUND: Ivacaftor has been previously assessed in patients with cystic fibrosis with Gly551Asp-CFTR or other gating mutations. We assessed ivacaftor in patients with Arg117His-CFTR, a residual function mutation.

METHODS: We did a 24-week, placebo-controlled, double-blind, randomised clinical trial, which enrolled 69 patients with cystic fibrosis aged 6 years and older with Arg117His-CFTR and percentage of predicted forced expiratory volume in 1 s (% predicted FEV1) of at least 40. We randomly assigned eligible patients (1:1) to receive placebo or ivacaftor 150 mg every 12 h for 24 weeks. Randomisation was stratified by age (6-11, 12-17, and ≥18 years) and % predicted FEV1 (<70, ≥70 to ≤90, and >90). The primary outcome was the absolute change from baseline in % predicted FEV1 through week 24. Secondary outcomes included safety and changes in sweat chloride concentrations and Cystic Fibrosis Questionnaire-Revised (CFQ-R) respiratory domain scores. An open-label extension enrolled 65 of the patients after washout; after 12 weeks, we did an interim analysis.

FINDINGS: After 24 weeks, the treatment difference in mean absolute change in % predicted FEV1 between ivacaftor (n=34) and placebo (n=35) was 2·1 percentage points (95% CI -1·13 to 5·35; p=0·20). Ivacaftor treatment resulted in significant treatment differences in sweat chloride (-24·0 mmol/L, 95% CI -28·01 to -19·93; p<0·0001) and CFQ-R respiratory domain (8·4, 2·17 to 14·61; p=0·009). In prespecified subgroup analyses, % predicted FEV1 significantly improved with ivacaftor in patients aged 18 years or older (treatment difference vs placebo: 5·0 percentage points, 95% CI 1·15 to 8·78; p=0·01), but not in patients aged 6-11 years (-6·3 percentage points, -11·96 to -0·71; p=0·03). In the extension study, both placebo-to-ivacaftor and ivacaftor-to-ivacaftor groups showed % predicted FEV1 improvement (absolute change from post-washout baseline at week 12: placebo-to-ivacaftor, 5·0 percentage points [p=0·0005]; ivacaftor-to-ivacaftor, 6·0 percentage points [p=0·006]). We did not identify any new safety concerns. The studies are registered with ClinicalTrials.gov (the randomised, placebo-controlled study, number NCT01614457; the open-label extension study, number NCT01707290).

INTERPRETATION: Although this study did not show a significant improvement in % predicted FEV1, ivacaftor did significantly improve sweat chloride and CFQ-R respiratory domain scores and lung function in adult patients with Arg117His-CFTR, indicating that ivacaftor might benefit patients with Arg117His-CFTR who have established disease.

Detección de mutaciones en el gen CFTR en la población del Noreste de México

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Biología Molecular e Ingeniería Genética) UANL

Modulation de l’expression du gène CFTR par le produit du gène FIC1 responsable de la cholestase familiale intra-hépatique progressive de type 1 : Identification des mécanismes moléculaires impliqués

Réalisé en cotutelle avec l'Université de Cergy-Pontoise

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.

Fonction de CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium des voies aériennes et développement de nouvelles stratégies thérapeutiques en fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations dans le gène codant pour le canal CFTR. La mutation la plus commune est la délétion du résidu Phe508 (∆F508), qui entraîne un mauvais repliement et la dégradation de la protéine mutée. Ainsi, l’absence du CFTR cause un dysfonctionnement du transport ionique et liquidien qui altère le phénomène de clairance mucociliaire. Il en résulte une accumulation de mucus visqueux obstruant les voies aériennes favorisant une colonisation bactérienne, spécialement par P. aeruginosa, et une inflammation chronique. Ces phénomènes entraînent des lésions épithéliales et un remodelage des voies aériennes. Selon nos analyses ultrastructurales de poumons issus de patients FK au moment de la transplantation, certaines zones de l’épithélium FK montrait des signes de d’initiation des processus de réparation. Malgré cela, un dommage épithélial progressif est observé chez les patients FK et il apparaît évident que les processus de réparation sont insuffisants pour permettre le rétablissement de l’intégrité épithéliale. Le principal objectif de mon étude était d’étudier le rôle du CFTR dans les mécanismes de réparation de l’épithélium FK et de déterminer l’impact de la correction du CFTR sur la réparation épithéliale et ce, en condition aseptique et en présence d’infection. Mes travaux montrent que l’épithélium des voies aériennes FK présente un défaut de réparation, associé, du moins en partie, à l’absence d’un CFTR fonctionnel. De plus, nous avons démontré pour la première fois que l’application du correcteur du CFTR VRT-325 permettait, non seulement, la maturation du CFTR, mais également une amélioration de la capacité des monocouches de cellules des voies aériennes FK à se réparer. D’autre part, nous avons montré que la présence du filtrat bactérien de P. aeruginosa (PsaDM) altérait non seulement l’expression et la fonction du CFTR, mais également les processus de réparation épithéliale. Enfin, nos résultats montrent que l’infection affecte la maturation du CFTR induite par le VRT-325 et diminue les effets bénéfiques du VRT-325 sur la réparation épithéliale. Mes travaux permettent de mieux comprendre le rôle du CFTR dans les processus de réparation de l’épithélium FK et de proposer une nouvelle approche thérapeutique visant à promouvoir la régénération épithéliale chez les patients FK afin de tenter de stabiliser leur état, malgré l’effet délétère de la composante infectieuse.

Inflammation intestinale associée à la fibrose kystique : rôle du CFTR et propriétés anti-inflammatoires de la vitamine D

Les patients fibrose kystique (FK) souffrent de complications digestives qui incluent une inflammation intestinale modérée dont l’étiologie est méconnue. Les personnes atteintes de FK présentent également une malabsorption des vitamines liposolubles, telles la vitamine D. Or, la vitamine D possède des propriétés immunomodulatrices et anti-inflammatoires. Le présent projet vise à investiguer le rôle du CFTR, dont le gène est muté dans la FK, dans l’étiologie de cette inflammation intestinale et à étudier le potentiel anti-inflammatoire de la vitamine D sur celle-ci. Le CFTR a été invalidé génétiquement par la méthode des ARN interférents (shRNAi) et/ou inhibé pharmacologiquement par l’utilisation d’un antagoniste inhibiteur spécifique (CFTRinh-172). Un état inflammatoire a été induit par les cytokines pro-inflammatoires TNF-α et IL-1β. Afin d’évaluer le rôle anti-inflammatoire de la vitamine D, les cellules ont été pré-traitées avec la forme bioactive de la vitamine D, la 1,25(OH)2D3. La sécrétion et l’expression génique d’interleukine-8, ainsi que l’activation de la voie de signalisation p38MAPK et du facteur de transcription NFκB ont été évaluées. Pour explorer la voie par laquelle la vitamine D exerce ses actions anti-inflammatoires, les cellules ont été pré-incubées avec le BIRB796 pour inhiber la voie p38MAPK. Finalement l’expression génique du récepteur nucléaire de la vitamine D et des hydroxylases intestinales impliquées dans son métabolisme a été déterminée. Nos résultats suggèrent que le CFTR a un rôle dans l’étiologie de l’inflammation intestinale associée à la FK. De plus, la vitamine D semble moduler à la baisse la réponse inflammatoire de la cellule intestinale dont le CFTR a été génétiquement invalidé.