I. DESCRIPTION DE PROJET DE RECHERCHE Le canal sodium épithélial bloquable par l’amiloride (ENaC) est une protéine intégrale de la membrane apicale des épithéliums impliqués dans l’absorption du sodium. Deux fonctions majeures sont directement liées au fonctionnement d’ENaC. D’une part, la régulation de la balance sodée par le rein et donc de la pression artérielle et d’autre part, la clairance du fluide alvéolaire pulmonaire. Le transport vectoriel de sel et d’eau à travers ces épithéliums à jonctions serrées repose sur un transport actif de sodium entraînant un flux osmotique d’eau. Ce transport de sodium s’effectue en deux étapes: l’entrée apicale, par diffusion, facilitée via ENaC, et la sortie basolatérale, active, par les pompes Na+/K+ ATPases. Ces dernières années, un intérêt grandissant est porté sur les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 (PUFAs) et leurs implications dans divers processus physiologiques. Entre autres effets, les PUFAs modulent différents types de canaux ioniques (canaux Na+ dépendant du voltage, Ca++ L-type, K+). Les études in vivo impliquant un effet à long terme des PUFAs décrivent des mécanismes inhibiteurs. Cependant, lors d’une étude précédente, axée sur la composition lipidique des membranes de cellules rénales en culture et l’influence de l’ajout d’acides gras saturés et insaturés sur le transport du sodium, nous avons constaté que les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 augmentaient la réabsorption du sodium. Ces résultats pourraient être intéressants, car les canaux sodiques de l’épithélium alvéolaire sont en contact direct avec le surfactant, dont la composition lipidique varie en fonction de l’apport alimentaire en PUFAs. Chez les prématurés humains, le syndrome de détresse respiratoire est une des causes les plus fréquentes de mortalité. Dans un certain nombre de cas, on peut restaurer une fonction pulmonaire satisfaisante par l’administration de surfactant. Dans ce travail, nous avons opté pour une approche fondamentale des mécanismes de régulation du canal sodium épithélial par l’acide eicosapentanoïque (EPA, C 20:5, n-3). Des études électrophysiologiques, biochimiques et d’imagerie cellulaire ont été réalisées sur la lignée cellulaire A6 de rein d’amphibien, qui sert d’épithélium modèle pour l’étude d’ENaC depuis plus de 25 ans. Cette lignée exprime des canaux sodiques très sélectifs et possède des propriétés électrophysiologiques facilitant l’étude de leur régulation. Ce travail nous a permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes fondamentaux dont la pertinence physiologique et /ou clinique ne pourra être établie qu’en transposant cette étude sur un modèle in vivo, comme nous le proposons dans les perspectives. Dans le présent travail, nous avons étudié : 1. La distribution fonctionnelle d’ENaC dans la membrane apicale des cellules A6. 2. Les effets des acides gras polyinsaturés oméga-3 (n-3 PUFAs) sur le transport du sodium et les voies de signalisation impliquées dans ces effets. Nous montrons que les canaux sodiques épithéliaux sont distribués de manière hétérogène dans la membrane apicale des cellules A6, les canaux actifs se localisant au niveau de microdomaines membranaires (Am. J. Renal Physiol. 2003). Nous montrons aussi que l’acide eicosapentanoïque (EPA, C20 :5) augmente la perméabilité au sodium de la membrane apicale des cellules A6. Cette stimulation est transitoire et réversible, et implique l’activation de la protéine kinase A (PKA) en aval d’une augmenation d’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) (Am. J. Renal Physiol. 2004). L’EPA ne provoque ni la stimulation de l’adénylate cyclase, ni l’augmentation d’AMPc total, mais inhibe l’activité phosphodiestérasique membranaire. En l’absence d’une augmentation mesurable d’AMPc, nous avons testé l’hypothèse d’une compartimentalisation de la PKA à la membrane apicale, où une faible augmentation d’AMPc pourrait être suffisante pour son activation. Nous montrons qu’une telle compartimentalisation est rendue possible grâce à une A-Kinase Anchoring Protein (AKAP) qui ancre la PKA à la membrane apicale. L’inhibition de la liaison AKAP-PKA empêche la stimulation du courant sodium par l’EPA. La distribution d’ENaC dans les microdomaines membranaires insolubles aux détergents pourrait favoriser l’ancrage de l’AKAP et des protéines régulatrices à proximité du canal ( J. Biol. Chem, 2007). Ce travail montre pour la première fois, un ancrage membranaire de la PKA par une AKAP dans les cellules A6 et met ainsi en évidence un nouveau mécanisme de régulation des canaux sodium épithéliaux.

Class of 2012 Abstract / Specific Aims: The epithelial sodium channels (ENaC) found on the apical membranes of epithelial cells including those lining the respiratory tract are the rate limiting step of the absorption of excess fluid from the airspace of the alveoli. ENaC function is modulated by the effects of various physiologic signals such as the adrenergic and purinergic pathways, in addition to other local channels which control the flow of negatively charged ions such as the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). We sought to determine the influence of genetic variation on the alpha subunit of ENaC at amino acid position 663 on baseline exhaled ions and pulmonary function in patients with CF. Methods: We assessed pulmonary function ( forced vital capacity[FVC], forced expiratory volume in one second [FEV1], forced expiratory flow maximum[FEFmax]) using a Medical Graphics cardiopulmonary testing device (Minneapolis, MN). Measures of exhaled sodium (Na+) and chloride (Cl-) were obtained using exhaled breathe condensate collected on a Jaeger Ecoscreen condenser unit (Cardinal Health, Yorba Linda, CA) with Na+ quantification using an atomic absorption spectrophotometer (Analyst 100; Perkin Elmer, Norwalk, CT) and Cl- anion quantification using a Dionex AS11 HC column. Healthy n=31 (n=18[58%], 9[29%], and 4[13%] subjects; Body mass index (BMI)=23±1, 25±2, and 25±2kg/ m2 for AA, AT and TT groups respectively). CF n= 42 (n=33[79%], 7[16%], and 2[5%] subjects; BMI equals 23±7, 19±0.4, and 20±2.2kg/m2 for AA, AT and TT groups respectively). Main Results: We found that the distribution of genotypes in CF differed from healthy subjects, with the AA genotype in 80% of CF and 59% in healthy. No significant difference were demonstrated in healthy subjects between genotype groups for pulmonary function and exhaled chloride while the genotypes did differ in exhaled Na (Na=2.9±0.4, 1.7±0.3, and 3.7±1.1mmol/L for AA, AT, and TT respectively, ANOVA p=0.07). CF subjects with the AA genotype had a higher baseline exhaled Cl-, FEV1, and FEFmax than those in the AA group (Cl=0.125±0.038,0.0 27±0.007, and 0.033±0.02 mmol/L ; FEV1=71±5, 68±11, and 40±22L; FEFmax=86±4, 72±7, and 44±24L/sec; for AA, AT, and TT respectively, ANOVA p<0.05, Tukey [AA vs. TT] p<0.05) while exhaled Na+ and FVC were similar between genotypes. Conclusions: Our results suggest that CF subjects with the AA genotype of the alpha subunit of the ENaC have a higher baseline exhaled Cl- and a resulting increase in pulmonary function when compared to the overactive TT groupCF patients with the TT αENaC genotype are likely candidates for early identification and treatment with inhaled ENaC inhibitors or other modulators of this pathway in order to improve survival.

Cystic Fibrosis (CF) is a degenerative disorder that is often associated with chronic lung disease. CF is caused by mutations in the gene encoding the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) chloride channel, which lead to defective chloride and sodium ion movement across epithelia. Subsequent dehydration of the airway surface liquid (ASL) on airway epithelia, is associated with poor mucociliary clearance and chronic lung infection. The monogenic nature of CF, along with the accessibility of the lung, makes the disease amenable to gene replacement therapy. Gene therapy clinical trials have focused on replacing the mutated CFTR with a functional copy, which has led to improved chloride transport, but has shown no significant effects on sodium transport. An alternative strategy for CF gene therapy therefore, could be to reduce the expression of the epithelial sodium channel (ENaC) in the lung, using RNA interference (RNAi), combined with CFTR delivery. Developing a dual-function gene transfer vector could potentially restore chloride and sodium levels in the ASL and help alleviate CF lung disease. The aim of this thesis was to develop a recombinant lentivirus delivery system capable of simultaneously delivering CFTR expression and knocking down ENaC expression in the airways. A modular HIV vector genome plasmid was developed to allow simple insertion of various promoter elements, transgenes and knockdown sequences, for subsequent virus production. Insertion of the CFTR transgene and a short-hairpin RNA (shRNA) sequence targeting the ENaC alpha subunit (ENaC&alpha;) resulted in significant knockdown of human ENaC&alpha; and simultaneous expression of CFTR in A549 (human lung carcinoma) cell culture. Replacement of the ENaC&alpha; shRNA with an shRNA targeting the transcription factor BACH1 resulted in target gene knockdown and concomitant HMOX1 up-regulation, confirming specific knockdown effects, and demonstrating that the dual-function rLV vector could mediate target gene knockdown irrespective of the target. Attempts were made to knock down BACH1 in primary cultures of human bronchial epithelial cells grown at the air-liquid interface (ALI), but improved transduction efficiencies from the apical surface will be required to generate successful knockdown in this experimental model. These studies provide proof-of-principle for the utility of this versatile dual-function prototype virus. The dual function vector not only has the potential for treatment of CF lung disease, but could be readily altered to target other lung diseases where combinations of prolonged target gene knockdown and gene expression/up-regulation could collectively provide an appropriate therapy. In conclusion, the focus on the rational design of gene transfer vectors for specific therapeutic effects will aid the development and translation of gene therapy approaches to human studies.

The amiloride-sensitive epithelial Na+ channel, ENaC, is the Na+-specific salt taste receptor in rodents. Compared to rodents, human salt taste perception is amiloride-insensitive. In rodents the ENaC is composed of aβg-subunits. Whereas humans express an additional subunit, the d-ENaC subunit. ENaC in human taste cells is composed of aβg-subunits or dβg-subunits, with the latter being amiloride-insensitive. Currently, it is not known if dβg-ENaC expression and trafficking is regulated by hormones and their downstream intracellular signaling effectors. The aim of this study is to investigate if arginine vasopressin (AVP), aldosterone, and cAMP regulate d-ENaC expression and trafficking in cultured fungiform human taste cells (HBO cells). Secondly, we want to demonstrate the expression of downstream signaling effectors involved in the trafficking of d-ENaC in HBO cells. Using molecular and immunocytochemical techniques, our results demonstrate that AVP, cAMP, and aldosterone increase expression of d-ENaC mRNA and protein in HBO cells. Furthermore, AVP, cAMP and aldosterone increased trafficking of the d-ENaC subunit from the cytosolic compartment to the apical pole of the HBO cells. Our results further demonstrate that HBO cells express several components of signaling cascade involved in ENaC translocation from cytosol to apical pole in HBO cells. The components of this signaling cascade include AVPR2, PKA, CREB, SGK-1, Nedd4-2, and GILZ-1. These hormones in mice and rats upregulate ENaC. Currently, we are not sure if these hormones affect ENaC this way in humans. By studying d-ENaC with these hormones, we are able to see how human ENaC is regulated in the tongue.

Many preterm infants require mechanical ventilation as life-saving therapy. However, ventilation-induced overpressure can result in lung diseases. Considering the lung as a viscoelastic material, positive pressure inside the lung results in increased hydrostatic pressure and tissue compression. To elucidate the effect of positive pressure on lung tissue mechanics and cell behavior, we mimic the effect of overpressure by employing an uniaxial load onto fetal and adult rat lungs with different deformation rates. Additionally, tissue expansion during tidal breathing due to a negative intrathoracic pressure was addressed by uniaxial tension. We found a hyperelastic deformation behavior of fetal tissues under compression and tension with a remarkable strain stiffening. In contrast, adult lungs exhibited a similar response only during compression. Young’s moduli were always larger during tension compared to compression, while only during compression a strong deformation-rate dependency was found. In fact, fetal lung tissue under compression showed clear viscoelastic features even for small strains. Thus, we propose that the fetal lung is much more vulnerable during inflation by mechanical ventilation compared to normal inspiration. Electrophysiological experiments with different hydrostatic pressure gradients acting on primary fetal distal lung epithelial cells revealed that the activity of the epithelial sodium channel (ENaC) and the sodium-potassium pump (Na,K-ATPase) dropped during pressures of 30 cmH2O. Thus, pressures used during mechanical ventilation might impair alveolar fluid clearance important for normal lung function.

Le transport actif de sodium par les cellules épithéliales alvéolaires est le principal mécanisme impliqué dans la régulation du niveau de liquide dans le poumon distal. Le canal épithélial sodique (ENaC) exprimé par les cellules épithéliales alvéolaires est essentiel à la résorption du liquide des poumons à la naissance ainsi que la résolution de l'œdème pulmonaire chez l'adulte. L'activité et l'expression du canal ENaC sont modulées par de nombreux stress pathophysiologiques. L'inflammation pulmonaire constitue un facteur important dans l'inhibition de l'expression du canal ENaC et pourrait favoriser la formation d'œdème pulmonaire. Nous avons précédemment démontré que différentes cytokines pro-inflammatoires, ainsi que les lipopolysaccharides (LPS) de Pseudomonas aeruginosa, inhibent l'expression de l'ARNm αENaC par des mécanismes de régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle. Ces résultats suggèrent que les mécanismes qui modulent la stabilité des ARNm αENaC pourraient jouer un rôle important dans la régulation du niveau d’expression du transcrit en condition inflammatoire. Le principal objectif de mes travaux était de caractériser les mécanismes de modulation de l’ARNm αENaC dans les cellules épithéliales alvéolaires lors de différents stress pathophysiologiques et déterminer si cette modulation pouvait s’expliquer en partie par une régulation de la stabilité du transcrit. Mes travaux montrent que les LPS et la cycloheximide inhibent l’expression de l’ARNm αENaC de façon similaire via l’activation des voies de signalisation des MAPK ERK1/2 et p38. Cependant, les mécanismes de modulation de l’expression de l'ARNm αENaC sont différents puisque les LPS répriment la transcription du gène, alors que la cycloheximide diminuerait la stabilité du transcrit via des mécanismes post-transcriptionnels impliquant la région 3' non traduite (3'UTR) de l'ARNm αENaC. Pour mieux étudier le rôle du 3'UTR dans ce processus, nous avons développé un modèle Tet-Off nous permettant de mesurer la demi-vie de l’ARNm αENaC indépendamment de l’utilisation d’un inhibiteur de la transcription comme l'actinomycine D (Act. D). Nous avons montré que la demi-vie de l’ARNm αENaC était de 100min, un temps beaucoup plus court que celui rapporté dans la littérature. Nous avons démontré que l’Act. D a un effet stabilisateur important sur l’ARNm αENaC et qu’il ne peut être utilisé pour évaluer la stabilité du transcrit. À l’aide de différents mutants de délétion, nous avons entrepris de déterminer la nature des régions du 3’UTR impliquées dans la modulation de la stabilité du transcrit. Nous avons trouvé que le 3’UTR joue un rôle à la fois de stabilisation (région 3’UTR proximale) et de déstabilisation (région 3’UTR distale) du transcrit. Notre système nous a finalement permis de confirmer que la diminution de l’ARNm αENaC observée en présence de TNF-α s’expliquait en partie par une diminution importante de la stabilité du transcrit induite par cette cytokine. Enfin, nous avons identifié la nature des protéines pouvant se lier au 3’UTR de l’ARNm αENaC et déterminé lesquelles pouvaient moduler la stabilité du transcrit. Des trois protéines candidates trouvées, nous avons confirmé que la surexpression de DHX36 et TIAL1 diminue le niveau de transcrit par un mécanisme impliquant la stabilité du messager. Les travaux présentés ici montrent la complexité des voies de signalisation induites par différents stress sur les cellules épithéliales alvéolaires et montrent comment la stabilité de l’ARNm αENaC et en particulier, les séquences du 3’UTR jouent un rôle important dans la modulation du niveau de transcrit. Le modèle Tet-Off que nous avons développé permet d’estimer le temps de demi-vie réel de l’ARNm αENaC et montre que le 3’UTR du messager joue un rôle complexe dans la stabilisation du messager en condition de base ainsi qu’en condition pro-inflammatoire. Enfin, nous avons identifié deux protéines liant l’ARNm qui pourraient jouer un rôle important dans la modulation de la stabilité du transcrit. / The epithelial sodium channel (ENaC) expressed in alveolar epithelial cells plays a major role for lung liquid clearance at birth and lung edema resorption in adulthood. The expression and activity of ENaC are inhibited by many pathophysiological stress that could have an impact in the clinical outcome of acute respiratory distress syndrome (ARDS). Pulmonary inflammation is an important factor in this inhibition that may promote or sustain pulmonary edema. We have previously shown that pro-inflammatory cytokines and lipopolysaccharide (LPS) from Pseudomonas aeruginosa inhibit αENaC mRNA expression by transcriptional and post-transcriptional mechanisms, suggesting that a modulation of αENaC mRNA stability could play a role in this process. The main objective of the present work was to characterize how different pathophysiological stress affect αENaC mRNA expression in alveolar epithelial cells and determine whether this modulation could be explained in part by regulating the stability of the transcript. Our study shows that LPS and cycloheximide decrease the level of αENaC mRNA with a similar time course and via the activation of the MAPK ERK1/2 and p38 signaling pathways. Despite similarities, there were important differences in the mechanisms involved in the modulation of αENaC mRNA expression. While LPS repress αENaC mRNA transcription, cycloheximide triggers post-transcriptional mechanisms involving the 3' untranslated region (3'UTR) of αENaC mRNA. To further study the role of αENaC 3'UTR in this process, we developed a Tet-Off model that allows us to measure the half-life of αENaC mRNA regardless of the use of a transcription inhibitor such as actinomycin D (Act. D). Using this system, we showed a 100 min half-life for αENaC mRNA, a much shorter time then the one reported for this mRNA using Act. D. We showed that Act. D has an important stabilizing effect on αENaC mRNA and cannot be used to assess the stability of the transcript. Using deletion mutants of the αENaC 3'UTR region, we determined how different portions of 3'UTR were important in modulating stability of the transcript. We found that the 3'UTR has dual functions, with portions important to promote stabilization (proximal 3'UTR) and others that strongly destabilize (distal 3'UTR) the transcript. Our system also allowed us to confirm that the decreased expression of αENaC mRNA induced by TNF-α results in part by a decreased stability of the mRNA. Finally, we identified several RNA-binding proteins that interact specifically with αENaC 3'UTR and determined if these proteins had an impact on transcript stability. Surexpression of two of these proteins in alveolar epithelial cells, DHX36 and TIAL1 was able to decrease the level of αENaC mRNA via a downregulation of mRNA stability. The work presented here shows the complexity of the signal transduction pathways elicited by different pathological stress conditions in alveolar epithelial cells and is the first to show that αENaC mRNA stability elicited by sequences in 3’UTR plays an important role in modulating the level of the transcript. The Tet-Off model that we developed allows to accurately estimate the half-life of αENaC mRNA and shows that the 3’UTR portion of the mRNA plays a complex role in the modulation of transcript stability in basal and pro-inflammatory conditions. Finally, we identified two putative RNA-binding proteins able to specifically recognize αENaC 3’UTR and modulate the transcript stability.

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The Tumor Necrosis Factor derived-TIP peptide is a small 17 amino acids cyclic peptide with lectin-like activity, that possesses several therapeutically relevant biological activities, among which is activation of alveolar liquid clearance in both healthy and injured lungs in vivo. Accumulation of fluid in the lungs? alveoli and interstitial spaces is a life-threatening condition called pulmonary edema. The mortality rate due permeability pulmonary edema, accompanied by a dysfunction of the alveolar/capillary barrier, is high because no effective treatment lacking side effects exists nowadays. It is known that the TIP peptide is able to activate vectorial Na+ transport ? which mediates lung liquid clearance. However, the mechanism of action of remains elusive. The aim of this thesis was to investigate the initial steps of interaction between the TIP peptide and airway epithelial cells. Numerous novel methods and single-molecule techniques were used to unravel: (i) how the TIP peptide interacts with the molecules on the apical side of the lung epithelial cells; (ii) whether the TIP peptide need to be internalized inside of the cells to trigger its effects; (iii) the nature of the interaction between the TIP peptide and its putative receptor(s); (iv) the putative receptor(s) for the TIP peptide on the apical surface of the lung epithelial cells.

I. DESCRIPTION DE PROJET DE RECHERCHE<p><p>Le canal sodium épithélial bloquable par l’amiloride (ENaC) est une protéine intégrale de la membrane apicale des épithéliums impliqués dans l’absorption du sodium. Deux fonctions majeures sont directement liées au fonctionnement d’ENaC. D’une part, la régulation de la balance sodée par le rein et donc de la pression artérielle et d’autre part, la clairance du fluide alvéolaire pulmonaire.<p>Le transport vectoriel de sel et d’eau à travers ces épithéliums à jonctions serrées repose sur un transport actif de sodium entraînant un flux osmotique d’eau. Ce transport de sodium s’effectue en deux étapes: l’entrée apicale, par diffusion, facilitée via ENaC, et la sortie basolatérale, active, par les pompes Na+/K+ ATPases.<p><p>Ces dernières années, un intérêt grandissant est porté sur les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 (PUFAs) et leurs implications dans divers processus physiologiques. Entre autres effets, les PUFAs modulent différents types de canaux ioniques (canaux Na+ dépendant du voltage, Ca++ L-type, K+).<p>Les études in vivo impliquant un effet à long terme des PUFAs décrivent des mécanismes inhibiteurs. Cependant, lors d’une étude précédente, axée sur la composition lipidique des membranes de cellules rénales en culture et l’influence de l’ajout d’acides gras saturés et insaturés sur le transport du sodium, nous avons constaté que les acides gras polyinsaturés à longues chaînes de type oméga 3 augmentaient la réabsorption du sodium. Ces résultats pourraient être intéressants, car les canaux sodiques de l’épithélium alvéolaire sont en contact direct avec le surfactant, dont la composition lipidique varie en fonction de l’apport alimentaire en PUFAs. Chez les prématurés humains, le syndrome de détresse respiratoire est une des causes les plus fréquentes de mortalité. Dans un certain nombre de cas, on peut restaurer une fonction pulmonaire satisfaisante par l’administration de surfactant.<p><p>Dans ce travail, nous avons opté pour une approche fondamentale des mécanismes de régulation du canal sodium épithélial par l’acide eicosapentanoïque (EPA, C 20:5, n-3). Des études électrophysiologiques, biochimiques et d’imagerie cellulaire ont été réalisées sur la lignée cellulaire A6 de rein d’amphibien, qui sert d’épithélium modèle pour l’étude d’ENaC depuis plus de 25 ans. Cette lignée exprime des canaux sodiques très sélectifs et possède des propriétés électrophysiologiques facilitant l’étude de leur régulation.<p><p>Ce travail nous a permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes fondamentaux dont la pertinence physiologique et /ou clinique ne pourra être établie qu’en transposant cette étude sur un modèle in vivo, comme nous le proposons dans les perspectives.<p><p>Dans le présent travail, nous avons étudié :<p><p>1.\ / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished