The Arabidopsis CHL1 protein plays a major role in high-affinity nitrate uptake

The CHL1 (NRT1) gene of Arabidopsis encodes a nitrate-inducible nitrate transporter that is thought to be a component of the low-affinity (mechanism II) nitrate-uptake system in plants. A search was performed to find high-affinity (mechanism I) uptake mutants by using chlorate selections on plants containing Tag1 transposable elements. Chlorate-resistant mutants defective in high-affinity nitrate uptake were identified, and one had a Tag1 insertion in chl1, which was responsible for the phenotype. Further analysis showed that chl1 mutants have reduced high-affinity uptake in induced plants and are missing a saturable component of the constitutive, high-affinity uptake system in addition to reduced low-affinity uptake. The contribution of CHL1 to constitutive high-affinity uptake is higher when plants are grown at more acidic pH, conditions that increase the level of CHL1 mRNA. chl1 mutants show reduced membrane depolarization in root epidermal cells in response to low (250 μM) and high (10 mM) concentrations of nitrate. Low levels of nitrate (100 μM) induce a rapid increase in CHL1 mRNA. These results show that CHL1 is an important component of both the high-affinity and the low-affinity nitrate-uptake systems and indicate that CHL1 may be a dual-affinity nitrate transporter.

Genetic identification of a gene involved in constitutive, high-affinity nitrate transport in higher plants.

Two mutations have been found in a gene (NRT2) of Arabidopsis thaliana that specifically impair constitutive, high-affinity nitrate uptake. These mutants were selected for resistance to 0.1 mM chlorate in the absence of nitrate. Progency from one of the backcrossed mutants showed no constitutive uptake of nitrate below 0.5 mM at pH 7.0 in liquid culture (that is, within 30 min of initial exposure to nitrate). All other uptake activities measured (high-affinity phosphate and sulfate uptake, inducible high-affinity nitrate uptake, and constitutive low-affinity nitrate uptake) were present or nearly normal in the backcrossed mutant. Electrophysiological analysis of individual root cells showed that the nrt2 mutant showed little response to 0.25 mM of nitrate, whereas NRT2 wild-type cells showed an initial depolarization followed by recovery. At 10 mM of nitrate both the mutant and wild-type cells displayed similar, strong electrical responses. These results indicate that NRT2 is a critical and perhaps necessary gene for constitutive, high-affinity nitrate uptake in Arabidopsis, but not for inducible, high-affinity nor constitutive, low-affinity nitrate uptake. Thus, these systems are genetically distinct.

High-affinity NO(3-)-H+ cotransport in the fungus Neurospora:induction and control by pH and membrane voltage

High-affinity nitrate transport was examined in intact hyphae of Neurospora crassa using electrophysiological recordings to characterize the response of the plasma membrane to NO3- challenge and to quantify transport activity. The NO3(-)-associated membrane current was determined using a three electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in hyphae transferred to NO3(-)-free, N-limited medium for 15 hr, and in hyphae grown in the absence of a nitrogen source after a single 2-min exposure to 100 microM NO3-. In the latter, induction showed a latency of 40-80 min and rose in scalar fashion with full transport activity measurable approx. 100 min after first exposure to NO3-; it was marked by the appearance of a pronounced sensitivity of membrane voltage to extracellular NO3- additions which, after induction, resulted in reversible membrane depolarizations of (+)54-85 mV in the presence of 50 microM NO3-; and it was suppressed when NH4+ was present during the first, inductive exposure to NO3-. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO3- additions showed that the NO3(-)-evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared in parallel with the depolarizations across the entire range of accessible voltages (-400 to +100 mV). Measurements of NO3- uptake using NO3(-)-selective macroelectrodes indicated a charge stoichiometry for NO3- transport of 1(+):1(NO3-) with common K(m) and Jmax values around 25 microM and 75 pmol NO3- cm-2sec-1, respectively, and combined measurements of pHo and [NO3-]o showed a net uptake of approx. 1 H+ with each NO3- anion. Analysis of the NO3- current demonstrated a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -300 and -100 mV as well as interactions between the kinetic parameters of membrane voltage, pHo and [NO3-]o. Increasing the bathing pH from 5.5 to 8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 2- to 4-fold. At a constant pHo of 6.1, driving the membrane voltage from -350 to -150 mV resulted in an approx. 3-fold reduction in the maximum current and a 5-fold rise in the apparent affinity for NO3-. By contrast, the same depolarization effected an approx. 20% fall in the K(m) for transport as a function in [H+]o. These, and additional results are consistent with a charge-coupling stoichiometry of 2(H+) per NO3- anion transported across the membrane, and implicate a carrier cycle in which NO3- binding is kinetically adjacent to the rate-limiting step of membrane charge transit. The data concur with previous studies demonstrating a pronounced voltage-dependence to high-affinity NO3- transport system in Arabidopsis, and underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO3- transport; finally, they distinguish metabolite repression of NO3- transport induction from its sensitivity to metabolic blockade and competition with the uptake of other substrates that draw on membrane voltage as a kinetic substrate.

High-affinity NO3 --H+ cotransport in the fungus Neurospora:Induction and control by pH and membrane voltate

High-affinity nitrate transport was examined in intact hyphae of Neurospora crassa using electrophysiological recordings to characterize the response of the plasma membrane to NO₃ ^- challenge and to quantify transport activity. The NO₃ ^--associated membrane current was determined using a three electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in hyphae transferred to NO₃ ^--free, N-limited medium for 15 hr, and in hyphae grown in the absence of a nitrogen source after a single 2-min exposure to 100 μM NO₃ ^-. In the latter, induction showed a latency of 40-80 min and rose in scalar fashion with full transport activity mensurable approx. 100 min after first exposure to NO₃ ^-; it was marked by the appearance of a pronounced sensitivity of membrane voltage to extracellular NO₃ ^- additions which, after induction, resulted in reversible membrane depolarizations of (+)54-85 mV in the presence of 50 μM NO₃ ^-; and it was suppressed when NH₄ ⁺, was present during the first, inductive exposure to NO₃ ^-. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO₃ ^- additions showed that the NO₃ ^--evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared in parallel with the depolarizations across the entire range of accessible voltages -400 to +100 mV). Measurements of NO₃ ^- uptake using NO₃ ^--selective macroelectrodes indicated a charge stoichiometry for NO₃ ^- transport of 1(+):1(NO₃ ^-) with common K(m) and J(max) values around 25 μM and 75 pmol NO₃ ^- cm^-2sec^-1, respectively, and combined measurements of pH(o) and [NO₃ ^-](o) showed a net uptake of approx. 1 H⁺ with each NO₃ ^- anion. Analysis of the NO₃ ^- current demonstrated a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -300 and -100 mV as well as interactions between the kinetic parameters of membrane voltage, pH(o) and [NO₃ ^-](o). Increasing the bathing pH from 5.5 to 8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 2- to 4-fold. At a constant pH(o) of 6.1, driving the membrane voltage from -350 to -150 mV resulted in an approx. 3-fold reduction in the maximum current and a 5-fold rise in the apparent affinity for NO₃ ^-. By contrast, the same depolarization effected an approx. 20% fall in the K(m) for transport as a function in [H⁺](o). These, and additional results are consistent with a charge-coupling stoichiometry of 2(H⁺) per NO anion transported across the membrane, and implicate a carrier cycle in which NO binding is kinetically adjacent to the rate-limiting step of membrane charge transit. The data concur with previous studies demonstrating a pronounced voltage-dependence to high-affinity NO₃ ^- transport system in Arabidopsis, and underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO₃ ^- transport; finally, they distinguish metabolite repression of NO₃ ^- transport induction from its sensitivity to metabolic blockade and competition with the uptake of other substrates that draw on membrane voltage as a kinetic substrate.

The SLC1 high-affinity glutamate and neutral amino acid transporter family

Glutamate transporters play important roles in the termination of excitatory neurotransmission and in providing cells throughout the body with glutamate for metabolic purposes. The high-affinity glutamate transporters EAAC1 (SLC1A1), GLT1 (SLC1A2), GLAST (SLC1A3), EAAT4 (SLC1A6), and EAAT5 (SLC1A7) mediate the cellular uptake of glutamate by the co-transport of three sodium ions (Na(+)) and one proton (H(+)), with the counter-transport of one potassium ion (K(+)). Thereby, they protect the CNS from glutamate-induced neurotoxicity. Loss of function of glutamate transporters has been implicated in the pathogenesis of several diseases, including amyotrophic lateral sclerosis and Alzheimer's disease. In addition, glutamate transporters play a role in glutamate excitotoxicity following an ischemic stroke, due to reversed glutamate transport. Besides glutamate transporters, the SLC1 family encompasses two transporters of neutral amino acids, ASCT1 (SLC1A4) and ASCT2 (SLC1A5). Both transporters facilitate electroneutral exchange of amino acids in neurons and/or cells of the peripheral tissues. Some years ago, a high resolution structure of an archaeal homologue of the SLC1 family was determined, followed by the elucidation of its structure in the presence of the substrate aspartate and the inhibitor d,l-threo-benzyloxy aspartate (d,l-TBOA). Historically, the first few known inhibitors of SLC1 transporters were based on constrained glutamate analogs which were active in the high micromolar range but often also showed off-target activity at glutamate receptors. Further development led to the discovery of l-threo-β-hydroxyaspartate derivatives, some of which effectively inhibited SLC1 transporters at nanomolar concentrations. More recently, small molecule inhibitors have been identified whose structures are not based on amino acids. Activators of SLC1 family members have also been discovered but there are only a few examples known.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

High affinity amino acid transporters specifically expressed in xylem parenchyma and developing seeds of Arabidopsis

Arabidopsis amino acid transporters (AAPs) show individual temporal and spatial expression patterns. A new amino acid transporter, AAP8 was isolated by reverse transcription-PCR. Growth and transport assays in comparison to AAP1-5 characterize AAP8 and AAP6 as high affinity amino acid transport systems from Arabidopsis. Histochemical promoter-beta-glucuronidase (GUS) studies identified AAP6 expression in xylem parenchyma, cells requiring high affinity transport due to the low amino acid concentration in xylem sap. AAP6 may thus function in uptake of amino acids from xylem. Histochemical analysis of AAP8 revealed stage-dependent expression in siliques and developing seeds. Thus AAP8 is probably responsible for import of organic nitrogen into developing seeds. The only missing transporter of the family AAP7 was nonfunctional in yeast with respect to amino acid transport, and expression was not detectable. Therefore, AAP6 and -8 are the only members of the family able to transport aspartate with physiologically relevant affinity. AAP1, -6 and -8 are the closest AAP paralogs. Although AAP1 and AAP8 originate from a duplicated region on chromosome I, biochemical properties and expression pattern diverged. Overlapping substrate specificities paired with individual properties and expression patterns point to specific functions of each of the AAP genes in nitrogen distribution rather than to mere redundancy.

A New Family of High-Affinity Transporters for Adenine, Cytosine, and Purine Derivatives in Arabidopsis

In many organisms, including plants, nucleic acid bases and derivatives such as caffeine are transported across the plasma membrane. Cytokinins, important hormones structurally related to adenine, are produced mainly in root apices, from where they are translocated to shoots to control a multitude of physiological processes. Complementation of a yeast mutant deficient in adenine uptake (fcy2) with an Arabidopsis cDNA expression library enabled the identification of a gene, AtPUP1 (for Arabidopsis thaliana purine permease1), belonging to a large gene family (AtPUP1 to AtPUP15) encoding a new class of small, integral membrane proteins. AtPUP1 transports adenine and cytosine with high affinity. Uptake is energy dependent, occurs against a concentration gradient, and is sensitive to protonophores, potentially indicating secondary active transport. Competition studies show that purine derivatives (e.g., hypoxanthine), phytohormones (e.g., zeatin and kinetin), and alkaloids (e.g., caffeine) are potent inhibitors of adenine and cytosine uptake. Inhibition by cytokinins is competitive (competitive inhibition constant Ki = 20 to 35 μM), indicating that cytokinins are transported by this system. AtPUP1 is expressed in all organs except roots, indicating that the gene encodes an uptake system for root-derived nucleic acid base derivatives in shoots or that it exports nucleic acid base analogs from shoots by way of the phloem. The other family members may have different affinities for nucleic acid bases, perhaps functioning as transporters for nucleosides, nucleotides, and their derivatives.

The 'glial' glutamate transporter, EAAT2 (Glt-1) accounts for high affinity glutamate uptake into adult rodent nerve endings

The excitatory amino acid transporters (EAAT) removes neurotransmitters glutamate and aspartate from the synaptic cleft. Most CNS glutamate uptake is mediated by EAAT2 into glia, though nerve terminals show evidence for uptake, through an unknown transporter. Reverse-transcriptase PCR identified the expression of EAAT1, EAAT2, EAAT3 and EAAT4 mRNAs in primary cultures of mouse cortical or striatal neurones. We have used synaptosomes and glial plasmalemmal vesicles (GPV) from adult mouse and rat CNS to identify the nerve terminal transporter. Western blotting showed detectable levels of the transporters EAAT1 (GLAST) and EAAT2 (Glt-1) in both synaptosomes and GPVs. Uptake of [3H]D-aspartate or [3H]L-glutamate into these preparations revealed sodium-dependent uptake in GPV and synaptosomes which was inhibited by a range of EAAT blockers: dihydrokainate, serine-o-sulfate, l-trans-2,4-pyrrolidine dicarboxylate (PDC) (+/-)-threo-3-methylglutamate and (2S,4R )-4-methylglutamate. The IC50 values found for these compounds suggested functional expression of the 'glial, transporter, EAAT2 in nerve terminals. Additionally blockade of the majority EAAT2 uptake sites with 100 micro m dihydrokainate, failed to unmask any functional non-EAAT2 uptake sites. The data presented in this study indicate that EAAT2 is the predominant nerve terminal glutamate transporter in the adult rodent CNS.

Isolation and functional characterization of a high affinity urea transporter from roots of Zea mays

Background: Despite its extensive use as a nitrogen fertilizer, the role of urea as a directly accessible nitrogen source for crop plants is still poorly understood. So far, the physiological and molecular aspects of urea acquisition have been investigated only in few plant species highlighting the importance of a high-affinity transport system. With respect to maize, a worldwide-cultivated crop requiring high amounts of nitrogen fertilizer, the mechanisms involved in the transport of urea have not yet been identified. The aim of the present work was to characterize the high-affinity urea transport system in maize roots and to identify the high affinity urea transporter. Results: Kinetic characterization of urea uptake (<300 mu M) demonstrated the presence in maize roots of a high-affinity and saturable transport system; this system is inducible by urea itself showing higher Vmax and Km upon induction. At molecular level, the ORF sequence coding for the urea transporter, ZmDUR3, was isolated and functionally characterized using different heterologous systems: a dur3 yeast mutant strain, tobacco protoplasts and a dur3 Arabidopsis mutant. The expression of the isolated sequence, ZmDUR3-ORF, in dur3 yeast mutant demonstrated the ability of the encoded protein to mediate urea uptake into cells. The subcellular targeting of DUR3/GFP fusion proteins in tobacco protoplasts gave results comparable to the localization of the orthologous transporters of Arabidopsis and rice, suggesting a partial localization at the plasma membrane. Moreover, the overexpression of ZmDUR3 in the atdur3-3 Arabidopsis mutant showed to complement the phenotype, since different ZmDUR3-overexpressing lines showed either comparable or enhanced 15N]-urea influx than wild-type plants. These data provide a clear evidence in planta for a role of ZmDUR3 in urea acquisition from an extra-radical solution. Conclusions: This work highlights the capability of maize plants to take up urea via an inducible and high-affinity transport system. ZmDUR3 is a high-affinity urea transporter mediating the uptake of this molecule into roots. Data may provide a key to better understand the mechanisms involved in urea acquisition and contribute to deepen the knowledge on the overall nitrogen-use efficiency in crop plants.

Expression cloning and functional characterization of the kidney cortex high-affinity proton-coupled peptide transporter.

The presence of a proton-coupled electrogenic high-affinity peptide transporter in the apical membrane of tubular cells has been demonstrated by microperfusion studies and by use of brush border membrane vesicles. The transporter mediates tubular uptake of filtered di- and tripeptides and aminocephalosporin antibiotics. We have used expression cloning in Xenopus laevis oocytes for identification and characterization of the renal high-affinity peptide transporter. Injection of poly(A)+ RNA isolated from rabbit kidney cortex into oocytes resulted in expression of a pH-dependent transport activity for the aminocephalosporin antibiotic cefadroxil. After size fractionation of poly(A)+ RNA the transport activity was identified in the 3.0- to 5.0-kb fractions, which were used for construction of a cDNA library. The library was screened for expression of cefadroxil transport after injection of complementary RNA synthesized in vitro from different pools of clones. A single clone (rPepT2) was isolated that stimulated cefadroxil uptake into oocytes approximately 70-fold at a pH of 6.0. Kinetic analysis of cefadroxil uptake expressed by the transporter's complementary RNA showed a single saturable high-affinity transport system shared by dipeptides, tripeptides, and selected amino-beta-lactam antibiotics. Electrophysiological studies established that the transport activity is electrogenic and affected by membrane potential. Sequencing of the cDNA predicts a protein of 729 amino acids with 12 membrane-spanning domains. Although there is a significant amino acid sequence identity (47%) to the recently cloned peptide transporters from rabbit and human small intestine, the renal transporter shows distinct structural and functional differences.

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.

The human organic cation transporter OCT1 mediates high affinity uptake of the anticancer drug daunorubicin

Les anthracyclines tels que la doxorubicin et la daunorubicin sont une famille de médicaments anticancéreux hydrophiles qui doivent être transportés dans les cellules afin d’exercer leur action par intercalation à l’ADN dans le noyau cellulaire. Ceci mène à la perturbation du métabolisme de l’ADN et entraine la mort cellulaire. Les anthracyclines sont utilisés pour le traitement d’une variété de cancers incluant la leucémie, les lymphomes, le cancer du sein, le cancer des poumons et le cancer des ovaires. Étant donné que le transport actif des anthracyclines dans les cellules a partiellement été démontré, le transporteur spécifique impliqué dans ce processus n’est pas encore connu. En utilisant un modèle de cancer des ovaires, la lignée cellulaire TOV2223G, nous avons démontré que des substrats spécifiques au transporteur de cations organiques 1 (OCT1), notamment la ergothionéine, la thiamine et la phenformin, ont partiellement inhibé l’absorption de la daunorubicin en différence de la carnitine qui est un substrat de haute affinité des transporteurs CT2 et OCTN2. Ces résultats suggèrent que les transporteurs organiques spécifiques au transport de la carnitine ne sont pas impliqués dans le transport des anthracyclines. Ainsi, nos résultats ont démontré que l’absorption de la daunorubicin est orchestrée par le transporteur OCT1 dans les cellules TOV2223G (Km ~ 5 μM) et des concentrations micromolaires de choline ont complètement abolies l’absorption de la drogue. De plus, un ARN sh dirigé contre OCT1 a réprimé son expression protéique, ce qui a été confirmé par la technique d’immuno-buvardage en utilisant un anti-OCT1 anticorps. Les cellules déficientes en OCT1 n’ont pas été capables d’absorber la daunorubicin et ont été plus résistantes à l’action de la drogue par rapport aux cellules contrôle. La transfection des cellules HEK293T avec un plasmide construit de façon à faire exprimer OCT1 comme protéine de fusion avec la protéine fluorescente EYFP a montré que celle-ci est localisée dans la membrane plasmique. Les cellules transfectées ont été capables d’absorber cinq fois plus de daunorubicin comparé aux cellules contrôles. Cette étude est, selon nous, la première à démontrer que OCT1 est un transporteur de haute affinité des anthracyclines. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que des défauts de OCT1 peuvent contribuer à l’efficacité de la réponse des cellules cancéreuses à la chimiothérapie avec les anthracyclines.