Modulation of ligand selectivity by mutation of the first extracellular loop of the human C5a receptor

The cyclic C5a receptor antagonist, phenylalanine [L-ornithine-proline-D-cyclohexylalanine-tryptophan-arginine] (F-[OPchaWR]), has similar to 1000-fold less affinity for the C5a receptor (C5aR) on murine polymorphonuclear leukocytes than on human. Analysis of C5aR from different species shows that a possible cause of this difference is the variation in the sequence of the first extracellular loop of the receptor. The mouse receptor contains Y at a position analogous to P-103 in the human receptor, and D at G(105). To test this hypothesis, we expressed human C5aR mutants ((PY)-Y-103, G(105)D and the double mutant, (PY)-Y-103/G(105)D) in RBL-2H3 cells and investigated the effects of these mutations on binding affinity and receptor activation. All three mutant receptors had a higher affinity for human C5a than the wild-type receptor, but showed no significant difference in the ability of F-[OPchaWR] to inhibit human C5a binding. However, all of the mutant receptors had substantially lower affinities for the weak agonist, C5a des Arg(74) (C5adR(74)), and two altered receptors (G(105)D and (PY)-Y-103/G(105)D) had much lower affinities for the C-terminal C5a agonist peptide analogue, L-tyrosine-serine-phenylalanine-lysine-proline-methionine-proline-leucine-D-alanine-arginine (YSFKPMPLaR). Although it is unlikely that differences at these residues are responsible for variations in the potency of F-[OPchaWR] across species, residues in the first extracellular loop are clearly involved in the recognition of both C5a and C5a agonists. The complex effects of mutating these residues on the affinity and response to C5a, C5adR(74), and the peptide analogues provide evidence of different binding modes for these ligands on the C5aR. (C) 2001 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Secondary structure of the third extracellular loop responsible for ligand selectivity of a mammalian gonadotropin-releasing hormone receptor

The extracellular loop 3 (ECL3) of the mammalian gonadotropin-releasing hormone receptor (GnRH-R) contains an acidic amino acid (Glu(301) in the mouse GnRH-R,) that confers agonist selectivity for Are in mammalian GnRH. It is proposed that a specific conformation of ECL3 is necessary to orientate the carboxyl side chain of the acidic residue for interaction with Arg(8) of GnRH, which is supported by decreased affinity for Arg(8) GnRH but not Gln(8) GnRH when an adjacent Pro is mutated to Ala. To probe the structural contribution of the loop domain to the proposed presentation of the carboxyl side chain, we synthesized a model peptide (CGPEMLNRVSEPGC) representing residues 293-302 of mouse ECL3, where Cys and Gly residues are added symmetrically at the N and C termini, respectively, allowing the introduction of a disulfide bridge to simulate the distances at which the ECL3 is tethered to the transmembrane domains 6 and 7 of the receptor. The ability of the ECL3 peptide to bind GnRH with low affinity was demonstrated by its inhibition of GnRH stimulation of inositol phosphate production in cells expressing the GnRH-R. The CD bands of the ECL3 peptides exhibited a superposition of predominantly unordered structure and partial contributions from beta-sheet structure. Likewise, the analysis of the amide I and amide III bands from micro-Raman and FT Raman experiments revealed mainly unordered conformations of the cyclic and of the linear peptide. NMR data demonstrated the presence of a beta-hairpin among an ensemble of largely disordered structures in the cyclic peptide. The location of the turn linking the two strands of the hairpin was assigned to the three central residues L-296, N-297, and R-298. A small population of structured species among an ensemble of predominantly random coil conformation suggests that the unliganded receptor represents a variety of structural conformers, some of which have the potential to make contacts with the ligand. We propose a mechanism of receptor activation whereby binding of the agonist to the inactive receptor state induces and stabilizes a particular structural state of the loop domain, leading to further conformational rearrangements across the transmembrane domain and signal propagating interaction with G proteins. Interaction of the Glu(301) of the receptor with Arg(8) of GnRH induces a folded configuration of the ligand. Our proposal thus suggests that conformational changes of both ligand and receptor result from this interaction.

The fourth extracellular loop of the alpha subunit of Na,K-ATPase. Functional evidence for close proximity with the second extracellular loop.

Na,K-ATPase is the main active transport system that maintains the large gradients of Na(+) and K(+) across the plasma membrane of animal cells. The crystal structure of a K(+)-occluding conformation of this protein has been recently published, but the movements of its different domains allowing for the cation pumping mechanism are not yet known. The structure of many more conformations is known for the related calcium ATPase SERCA, but the reliability of homology modeling is poor for several domains with low sequence identity, in particular the extracellular loops. To better define the structure of the large fourth extracellular loop between the seventh and eighth transmembrane segments of the alpha subunit, we have studied the formation of a disulfide bond between pairs of cysteine residues introduced by site-directed mutagenesis in the second and the fourth extracellular loop. We found a specific pair of cysteine positions (Y308C and D884C) for which extracellular treatment with an oxidizing agent inhibited the Na,K pump function, which could be rapidly restored by a reducing agent. The formation of the disulfide bond occurred preferentially under the E2-P conformation of Na,K-ATPase, in the absence of extracellular cations. Using recently published crystal structure and a distance constraint reproducing the existence of disulfide bond, we performed an extensive conformational space search using simulated annealing and showed that the Tyr(308) and Asp(884) residues can be in close proximity, and simultaneously, the SYGQ motif of the fourth extracellular loop, known to interact with the extracellular domain of the beta subunit, can be exposed to the exterior of the protein and can easily interact with the beta subunit.

Access of extracellular cations to their binding sites in Na,K-ATPase: role of the second extracellular loop of the alpha subunit.

Na,K-ATPase, the main active transport system for monovalent cations in animal cells, is responsible for maintaining Na(+) and K(+) gradients across the plasma membrane. During its transport cycle it binds three cytoplasmic Na(+) ions and releases them on the extracellular side of the membrane, and then binds two extracellular K(+) ions and releases them into the cytoplasm. The fourth, fifth, and sixth transmembrane helices of the alpha subunit of Na,K-ATPase are known to be involved in Na(+) and K(+) binding sites, but the gating mechanisms that control the access of these ions to their binding sites are not yet fully understood. We have focused on the second extracellular loop linking transmembrane segments 3 and 4 and attempted to determine its role in gating. We replaced 13 residues of this loop in the rat alpha1 subunit, from E314 to G326, by cysteine, and then studied the function of these mutants using electrophysiological techniques. We analyzed the results using a structural model obtained by homology with SERCA, and ab initio calculations for the second extracellular loop. Four mutants were markedly modified by the sulfhydryl reagent MTSET, and we investigated them in detail. The substituted cysteines were more readily accessible to MTSET in the E1 conformation for the Y315C, W317C, and I322C mutants. Mutations or derivatization of the substituted cysteines in the second extracellular loop resulted in major increases in the apparent affinity for extracellular K(+), and this was associated with a reduction in the maximum activity. The changes produced by the E314C mutation were reversed by MTSET treatment. In the W317C and I322C mutants, MTSET also induced a moderate shift of the E1/E2 equilibrium towards the E1(Na) conformation under Na/Na exchange conditions. These findings indicate that the second extracellular loop must be functionally linked to the gating mechanism that controls the access of K(+) to its binding site.

The contact region between three domains of the extracellular loop of ASIC1a is critical for channel function.

Acid-sensing ion channels are members of the epithelial Na(+) channel/degenerin family. They are neuronal nonvoltage-gated Na(+) channels that are activated by extracellular acidification. In this study, we investigated the role of a highly conserved region of the extracellular part of ASIC1a that forms the contact between the finger domain, the adjacent beta-ball, and the upper palm domain in ASIC1a. The finger domain contributes to the pH-dependent gating and is linked via this contact zone to the rest of the protein. We found that mutation to Cys of residues in this region led to decreased channel expression and current amplitudes. Exposure of the engineered Cys residues to Cd(2+) or to charged methane thiosulfonate sulfhydryl reagents further reduced current amplitudes. This current inhibition was not due to changes in acid-sensing ion channel pH dependence or unitary conductance and was likely due to a decrease of the probability of channel opening. For some mutants, the effect of sulfhydryl reagents depended on the pH of exposure in the range 7.4 to 6.8, suggesting that this zone undergoes conformational changes during inactivation. Our study identifies a region in ASIC1a whose integrity is required for normal channel function.

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.

Antibodies against specific extracellular epitopes of the glucagon receptor block glucagon binding.

Polyclonal antibodies were prepared against synthetic peptides corresponding to four different extramembrane segments of the rat glucagon receptor. The antibodies bound specifically to native glucagon receptor as judged by immunofluorescence microscopy of cultured cells expressing a synthetic gene for the receptor. Antibodies to peptides designated PR-15 and DK-12 were directed against amino acid residues 103-117 and 126-137, respectively, of the extracellular N-terminal tail. Antibody to peptide KD-14 was directed against residues 206-219 of the first extracellular loop, and antibody to peptide ST-18, against the intracellular C-terminal tail, residues 468-485. The DK-12 and KD-14 antibodies, but not the PR-15 and ST-18 antibodies, could effectively block binding of 125I-labeled glucagon to its receptor in liver membranes. Incubation of these antibodies with rat liver membranes resulted in both a decrease in the maximal hormonal binding capacity and an apparent decrease in glucagon affinity for its receptor. These effects were abolished in the presence of excess specific peptide antigen. In addition, DK-12 and KD-14 antibodies, but not PR-15 and ST-18 antibodies, interfered with glucagon-induced adenylyl cyclase activation in rat liver membranes and behaved as functional glucagon antagonists. These results demonstrate that DK-12 and KD-14 antibodies are pharmacologically active glucagon antagonists and strongly suggest that residues 126-137 of the N-terminal tail and residues 206-219 of the first extracellular loop contain determinants of ligand binding and may comprise the primary ligand-binding site on the glucagon receptor.

GLUTX1, a novel mammalian glucose transporter expressed in the central nervous system and insulin-sensitive tissues.

Based on homology with GLUT1-5, we have isolated a cDNA for a novel glucose transporter, GLUTX1. This cDNA encodes a protein of 478 amino acids that shows between 29 and 32% identity with rat GLUT1-5 and 32-36% identity with plant and bacterial hexose transporters. Unlike GLUT1-5, GLUTX1 has a short extracellular loop between transmembrane domain (TM) 1 and TM2 and a long extracellular loop between TM9 and TM10 that contains the only N-glycosylation site. When expressed in Xenopus oocytes, GLUTX1 showed strong transport activity only after suppression of a dileucine internalization motif present in the amino-terminal region. Transport activity was inhibited by cytochalasin B and partly competed by D-fructose and D-galactose. The Michaelis-Menten constant for glucose was approximately 2 mM. When translated in reticulocytes lysates, GLUTX1 migrates as a 35-kDa protein that becomes glycosylated in the presence of microsomal membranes. Western blot analysis of GLUTX1 transiently expressed in HEK293T cells revealed a diffuse band with a molecular mass of 37-50 kDa that could be converted to a approximately 35-kDa polypeptide following enzymatic deglycosylation. Immunofluorescence microscopy detection of GLUTX1 transfected into HEK293T cells showed an intracellular staining. Mutation of the dileucine internalization motif induced expression of GLUTX1 at the cell surface. GLUTX1 mRNA was detected in testis, hypothalamus, cerebellum, brainstem, hippocampus, and adrenal gland. We hypothesize that, in a similar fashion to GLUT4, in vivo cell surface expression of GLUTX1 may be inducible by a hormonal or other stimulus.

Cell surface expression of the epithelial Na channel and a mutant causing Liddle syndrome: a quantitative approach.

The epithelial amiloride-sensitive sodium channel (ENaC) controls transepithelial Na+ movement in Na(+)-transporting epithelia and is associated with Liddle syndrome, an autosomal dominant form of salt-sensitive hypertension. Detailed analysis of ENaC channel properties and the functional consequences of mutations causing Liddle syndrome has been, so far, limited by lack of a method allowing specific and quantitative detection of cell-surface-expressed ENaC. We have developed a quantitative assay based on the binding of 125I-labeled M2 anti-FLAG monoclonal antibody (M2Ab*) directed against a FLAG reporter epitope introduced in the extracellular loop of each of the alpha, beta, and gamma ENaC subunits. Insertion of the FLAG epitope into ENaC sequences did not change its functional and pharmacological properties. The binding specificity and affinity (Kd = 3 nM) allowed us to correlate in individual Xenopus oocytes the macroscopic amiloride-sensitive sodium current (INa) with the number of ENaC wild-type and mutant subunits expressed at the cell surface. These experiments demonstrate that: (i) only heteromultimeric channels made of alpha, beta, and gamma ENaC subunits are maximally and efficiently expressed at the cell surface; (ii) the overall ENaC open probability is one order of magnitude lower than previously observed in single-channel recordings; (iii) the mutation causing Liddle syndrome (beta R564stop) enhances channel activity by two mechanisms, i.e., by increasing ENaC cell surface expression and by changing channel open probability. This quantitative approach provides new insights on the molecular mechanisms underlying one form of salt-sensitive hypertension.

An external site controls closing of the epithelial Na+ channel ENaC.

Members of the ENaC/degenerin family of ion channels include the epithelial sodium channel (ENaC), acid-sensing ion channels (ASICs) and the nematode Caenorhabditis elegans degenerins. These channels are activated by a variety of stimuli such as ligands (ASICs) and mechanical forces (degenerins), or otherwise are constitutively active (ENaC). Despite their functional heterogeneity, these channels might share common basic mechanisms for gating. Mutations of a conserved residue in the extracellular loop, namely the 'degenerin site' activate all members of the ENaC/degenerin family. Chemical modification of a cysteine introduced in the degenerin site of rat ENaC (betaS518C) by the sulfhydryl reagents MTSET or MTSEA, results in a approximately 3-fold increase in the open probability. This effect is due to an 8-fold shortening of channel closed times and an increase in the number of long openings. In contrast to the intracellular gating domain in the N-terminus which is critical for channel opening, the intact extracellular degenerin site is necessary for normal channel closing, as illustrated by our observation that modification of betaS518C destabilises the channel closed state. The modification by the sulfhydryl reagents is state- and size-dependent consistent with a conformational change of the degenerin site during channel opening and closing. We propose that the intracellular and extracellular modulatory sites act on a common channel gate and control the activity of ENaC at the cell surface.

The SLC2 family of facilitated hexose and polyol transporters.

The SLC2 family of glucose and polyol transporters comprises 13 members, the glucose transporters (GLUT) 1-12 and the H(+)- myo-inositol cotransporter (HMIT). These proteins all contain 12 transmembrane domains with both the amino and carboxy-terminal ends located on the cytoplasmic side of the plasma membrane and a N-linked oligosaccharide side-chain located either on the first or fifth extracellular loop. Based on sequence comparison, the GLUT isoforms can be grouped into three classes: class I comprises GLUT1-4; class II, GLUT6, 8, 10, and 12 and class III, GLUT5, 7, 9, 11 and HMIT. Despite their sequence similarity and the presence of class-specific signature sequences, these transporters carry various hexoses and HMIT is a H(+)/ myo-inositol co-transporter. Furthermore, the substrate transported by some isoforms has not yet been identified. Tissue- and cell-specific expression of the well-characterized GLUT isoforms underlies their specific role in the control of whole-body glucose homeostasis. Numerous studies with transgenic or knockout mice indeed support an important role for these transporters in the control of glucose utilization, glucose storage and glucose sensing. Much remains to be learned about the transport functions of the recently discovered isoforms (GLUT6-13 and HMIT) and their physiological role in the metabolism of glucose, myo-inositol and perhaps other substrates.

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.

A homozygous missense mutation in SCNN1A is responsible for a transient neonatal form of pseudohypoaldosteronism type 1.

Pseudohypoaldosteronism type 1 (PHA1) is a monogenic disorder of mineralocorticoid resistance characterized by salt wasting, hyperkalemia, high aldosterone levels, and failure to thrive. An autosomal recessive form (AR-PHA1) is caused by mutations in the epithelial sodium channel ENaC with usually severe and persisting multiorgan symptoms. The autosomal dominant form of PHA1 (AD-PHA1) is due to mutations in the mineralocorticoid receptor causing milder and transient symptoms restricted to the kidney. We identified a homozygous missense mutation in the SCNN1A gene (c.727T>C/p.Ser(243)Pro), encoding α-subunit of ENaC (α-ENaC) in a prematurely born boy with a severe salt-losing syndrome. The patient improved rapidly under treatment, and dietary salt supplementation could be stopped after 6 mo. Interestingly, the patient's sibling born at term and harboring the same homozygous Ser(243)Pro mutation showed no symptom of salt-losing nephropathy. In vitro expression of the αSer(243)Pro ENaC mutant revealed a slight but significant decrease in ENaC activity that is exacerbated in the presence of high Na(+) load. Our study provides the first evidence that ENaC activity is critical for the maintenance of salt balance in the immature kidney of preterm babies. Together with previous studies, it shows that, when the kidney is fully mature, the severity of the symptoms of AR-PHA1 is related to the degree of the ENaC loss of function. Finally, this study identifies a novel functional domain in the extracellular loop of ENaC.

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

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

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.