On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Stoichiometry and arrangement of heteromeric olfactory cyclic nucleotide-gated ion channels

Native cylic nucleotide-gated (CNG) channels are composed of α and β subunits. Olfactory CNG channels were expressed from rat cDNA clones in Xenopus oocytes and studied in inside-out patches. Using tandem dimers composed of linked subunits, we investigated the stoichiometry and arrangement of the α and β subunits. Dimers contained three subunit types: αwt, βwt, and αm. The αm subunit lacks an amino-terminal domain that greatly influences gating, decreasing the apparent affinity of the channel for ligand by 9-fold, making it a reporter for inclusion in the tetramer. Homomeric channels from injection of αwtαwt dimers and from αwt monomers were indistinguishable. Channels from injection of αwtαm dimers had apparent affinities 3-fold lower than αwt homomultimers, suggesting a channel with two αwt and two αm subunits. Channels from coinjection of αwtαwt and ββ dimers were indistinguishable from those composed of α and β monomers and shared all of the characteristics of the α+β phenotype of heteromeric channels. Coinjection of αwtαm and ββ dimers yielded channels also of the α+β phenotype but with an apparent affinity 3-fold lower, indicating the presence of αm in the tetramer and that α+β channels have adjacent α-subunits. To distinguish between an α-α-α-β and an α-α-β-β arrangement, we compared apparent affinities for channels from coinjection of αwtαwt and βαwt or αwtαwt and βαm dimers. These channels were indistinguishable. To further argue against an α-α-α-β arrangement, we quantitatively compared dose–response data for channels from coinjection of αwtαm and ββ dimers to those from α and β monomers. Taken together, our results are most consistent with an α-α-β-β arrangement for the heteromeric olfactory CNG channel.

Probing the transmembrane topology of cyclic nucleotide-gated ion channels with a gene fusion approach.

Cyclic nucleotide-gated (CNG) cation channels contain two short sequence motifs--a residual voltage-sensor (S4) and a pore-forming (P) segment--that are reminiscent of similar segments in voltage-activated Shaker-type K+ channels. It has been tacitly assumed that CNG channels and this K+ channel subfamily share a common overall topology, characterized by a hydrophobic domain comprising six membrane-spanning segments. We have systematically investigated the topology of CNG channels from bovine rod photoreceptor and Drosophila melanogaster by a gene fusion approach using the bacterial reporter enzymes alkaline phosphatase and beta-galactosidase, which are active only in the periplasm and only in the cytoplasm, respectively. Enzymatic activity was determined after expression of fusion constructs in Escherichia coli. CNG channels were found to have six membrane-spanning segments, suggesting that CNG and Shaker-type K+ channels, albeit distant relatives within a gene superfamily of ion channels, share a common topology.

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

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

Large conductance voltage- and calcium-dependent K+ channel, a distinct member of voltage-dependent ion channels with seven N-terminal transmembrane segments (S0-S6), an extracellular N terminus, and an intracellular (S9-S10) C terminus

Large conductance voltage- and Ca2+-dependent K+ (MaxiK) channels show sequence similarities to voltage-gated ion channels. They have a homologous S1-S6 region, but are unique at the N and C termini. At the C terminus, MaxiK channels have four additional hydrophobic regions (S7-S10) of unknown topology. At the N terminus, we have recently proposed a new model where MaxiK channels have an additional transmembrane region (S0) that confers β subunit regulation. Using transient expression of epitope tagged MaxiK channels, in vitro translation, functional, and “in vivo” reconstitution assays, we now show that MaxiK channels have seven transmembrane segments (S0-S6) at the N terminus and a S1-S6 region that folds in a similar way as in voltage-gated ion channels. Further, our results indicate that hydrophobic segments S9-S10 in the C terminus are cytoplasmic and unequivocally demonstrate that S0 forms an additional transmembrane segment leading to an exoplasmic N terminus.

LGICdb: the ligand-gated ion channel database

Ligand-Gated Ion Channels (LGIC) are polymeric transmembrane proteins involved in the fast response to numerous neurotransmitters. All these receptors are formed by homologous subunits and the last two decades revealed an unexpected wealth of genes coding for these subunits. The Ligand-Gated Ion Channel database (LGICdb) has been developed to handle this increasing amount of data. The database aims to provide only one entry for each gene, containing annotated nucleic acid and protein sequences. The repository is carefully structured and the entries can be retrieved by various criteria. In addition to the sequences, the LGICdb provides multiple sequence alignments, phylogenetic analyses and atomic coordinates when available. The database is accessible via the World Wide Web (http://www.pasteur.fr/recherche/banques/LGIC/LGIC.html), where it is continuously updated. The version 16 (September 2000) available for download contained 333 entries covering 34 species.

Ion channels gated by heat

All animals need to sense temperature to avoid hostile environments and to regulate their internal homeostasis. A particularly obvious example is that animals need to avoid damagingly hot stimuli. The mechanisms by which temperature is sensed have until recently been mysterious, but in the last couple of years, we have begun to understand how noxious thermal stimuli are detected by sensory neurons. Heat has been found to open a nonselective cation channel in primary sensory neurons, probably by a direct action. In a separate study, an ion channel gated by capsaicin, the active ingredient of chili peppers, was cloned from sensory neurons. This channel (vanilloid receptor subtype 1, VR1) is gated by heat in a manner similar to the native heat-activated channel, and our current best guess is that this channel is the molecular substrate for the detection of painful heat. Both the heat channel and VR1 are modulated in interesting ways. The response of the heat channel is potentiated by phosphorylation by protein kinase C, whereas VR1 is potentiated by externally applied protons. Protein kinase C is known to be activated by a variety of inflammatory mediators, including bradykinin, whereas extracellular acidification is characteristically produced by anoxia and inflammation. Both modulatory pathways are likely, therefore, to have important physiological correlates in terms of the enhanced pain (hyperalgesia) produced by tissue damage and inflammation. Future work should focus on establishing, in molecular terms, how a single ion channel can detect heat and how the detection threshold can be modulated by hyperalgesic stimuli.

Ubiquitylation of voltage-gated sodium channels.

Ion channel proteins are regulated by different types of posttranslational modifications. The focus of this review is the regulation of voltage-gated sodium channels (Navs) upon their ubiquitylation. The amiloride-sensitive epithelial sodium channel (ENaC) was the first ion channel shown to be regulated upon ubiquitylation. This modification results from the binding of ubiquitin ligase from the Nedd4 family to a protein-protein interaction domain, known as the PY motif, in the ENaC subunits. Many of the Navs have similar PY motifs, which have been demonstrated to be targets of Nedd4-dependent ubiquitylation, tagging them for internalization from the cell surface. The role of Nedd4-dependent regulation of the Nav membrane density in physiology and disease remains poorly understood. Two recent studies have provided evidence that Nedd4-2 is downregulated in dorsal root ganglion (DRG) neurons in both rat and mouse models of nerve injury-induced neuropathic pain. Using two different mouse models, one with a specific knockout of Nedd4-2 in sensory neurons and another where Nedd4-2 was overexpressed with the use of viral vectors, it was demonstrated that the neuropathy-linked neuronal hyperexcitability was the result of Nav1.7 and Nav1.8 overexpression due to Nedd4-2 downregulation. These studies provided the first in vivo evidence of the role of Nedd4-2-dependent regulation of Nav channels in a disease state. This ubiquitylation pathway may be involved in the development of symptoms and diseases linked to Nav-dependent hyperexcitability, such as pain, cardiac arrhythmias, epilepsy, migraine, and myotonias.

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

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

Transcriptional and functional profiles of voltage-gated Na(+) channels in injured and non-injured DRG neurons in the SNI model of neuropathic pain.

Changes in expression and function of voltage-gated sodium channels (VGSC) in dorsal root ganglion (DRG) neurons may play a major role in the genesis of peripheral hyperexcitability that occurs in neuropathic pain. We present here the first description of changes induced by spared nerve injury (SNI) to Na(v)1 mRNA levels and tetrodotoxin-sensitive and -resistant (TTX-S/TTX-R) Na(+) currents in injured and adjacent non-injured small DRG neurons. VGSC transcripts were down-regulated in injured neurons except for Na(v)1.3, which increased, while they were either unchanged or increased in non-injured neurons. TTX-R current densities were reduced in injured neurons and the voltage dependence of steady-state inactivation for TTX-R was positively shifted in injured and non-injured neurons. TTX-S current densities were not affected by SNI, while the rate of recovery from inactivation was accelerated in injured neurons. Our results describe altered neuronal electrogenesis following SNI that is likely induced by a complex regulation of VGSCs.

High sensitivity of immature GABAergic neurons to blockers of voltage-gated calcium channels.

The involvement of voltage-gated calcium channels in the survival of immature CNS neurons was studied in aggregating brain cell cultures by examining cell type-specific effects of various channel blockers. Nifedipine (10 microM), a specific blocker of L-type calcium channels, caused a pronounced and irreversible decrease of glutamic acid decarboxylase activity, whereas the activity of choline acetyltransferase was significantly less affected. Flunarizine (1-10 microM, a relatively unspecific ion channel blocker) elicited similar effects, that were attenuated by NMDA. The glia-specific marker enzymes, glutamine synthetase and 2',3'-cyclic nucleotide 3'-phosphohydrolase, were affected only after treatment with high concentrations of nifedipine (50 microM) or NiCl2 (100 microM, shown to block T-type calcium channels). Nifedipine (50 microM), NiCl2 (100 microM), and flunarizine (5 microM) also caused a significant increase in the soluble nucleosome concentration, indicating increased apoptotic cell death. This effect was prevented by cycloheximide (1 microM). Furthermore, the combined treatment with calcicludine (10 nM, blocking L-type calcium channels) and funnel-web spider toxin-3.3 (100 nM, blocking T-type channels) also caused a significant increase in free nucleosomes as well as a decrease in glutamic acid decarboxylase activity. In contrast, cell viability was not affected by peptide blockers specific for N-, P-, and/or Q-type calcium channels. Highly differentiated cultures showed diminished susceptibility to nifedipine and flunarizine. The present data suggest that the survival of immature neurons, and particularly that of immature GABAergic neurons, requires the sustained entry of Ca2+ through voltage-gated calcium channels.

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.

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

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