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Soil salinity is a major abiotic stress for land plants, and multiple mechanisms of salt tolerance have evolved. Tissue tolerance is one of these mechanisms, which involves the sequestration of sodium into the vacuole to retain low cytosolic sodium concentrations. This enables the plant to maintain cellular functions, and ultimately maintain growth and yield. However, the molecular components involved in tissue tolerance remain elusive. Several candidate genes for vacuolar sodium sequestration have recently been identified by proteome analysis of vacuolar membranes purified from the salt-tolerant cereal Hordeum vulgare (barley). In this study, I aimed to characterize these candidates in more detail. I successfully cloned coding sequences for the majority of candidate genes with primers designed based on the barley reference genome sequence. During the course of this study a newer genome sequence with improved annotations was published, to which I also compared my observations. To study the candidate genes, I used the heterologous expression system Saccharomyces cerevisiae (yeast). I used several salt sensitive yeast strains (deficient in intrinsic sodium transporters) to test whether the candidate genes would affect their salt tolerance by mediating the sequestration of sodium into the yeast vacuole. I observed a reduction in growth upon expression for several of the gene candidate under salt-stress conditions. However, confocal microscopy suggests that most gene products are subject to degradation, and did not localize to the vacuolar membrane (tonoplast). Therefore, growth effects cannot be linked to protein function without further evidence. Various potential causes are discussed, including inaccuracies in the genome resource used as reference for primer design and issues inherent to the model system. Finally, I make suggestions on how to proceed to further characterize the candidate genes and hopefully identify novel sodium transporters from barley.

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Cette thèse vise à démontrer l’importance de la PI 3-kinase dans la régulation hormonale de la réabsorption rénale du sodium. Ce contrôle extrêmement précis, notamment par l’aldostérone, s’effectue au niveau du néphron distal. Nous avons utilisé comme modèle l’épithélium de cellules A6, dérivées du tubule distal de Xenopus Laevis. Le transport unidirectionnel de sodium s’effectue en deux étapes: depuis, l’entrée à partir du milieu luminal par des canaux sodiques épithéliaux (ENaCs) insérés dans la membrane apicale, jusqu’à la sortie vers le liquide extracellulaire par des pompes Na+/K+-ATPases, situées dans la membrane basolatérale. L’insuline augmente ce transport de sodium et la PI 3-kinase semble assurer un rôle-clef. Nous avons étudié l’importance de chacun des 3-phosphoinositides produits par la PI 3-kinase, sur le transport du sodium en ajoutant au milieu cellulaire des formes «perméantes» de ces phospholipides. Parmi ceux-ci, le PIP3 et dans une moindre intensité le PI(3,4)P2 augmentent ce transport. En revanche, le PI3P, le PI(3,5)P2, ainsi que le PI(4,5)P2 n’ont pas d’effet sur lui. Nous avons démontré par la technique du Western blot que la 3-phosphatase PTEN est exprimée dans les cellules A6. Cette phosphatase déphosphoryle le PIP3 en PI(4,5)P2. Nous avons surexprimé PTEN dans les cellules A6. Ceci réduit l’augmentation du transport du sodium induite par l’insuline, ainsi que celle induite par addition de la forme «perméante» de PIP3. Nous avons ensuite vérifié si d’autres agents qui activent la PI 3-kinase, stimulent également le transport de sodium à travers cet épithélium. A cette fin, nous avons d’abord vérifié que l’EGF et le peroxyde d’hydrogène, connus pour stimuler la PI 3-kinase dans d’autres systèmes, activent également cette enzyme dans les cellules A6. Tous deux augmentent ce transport. L’importance de l’augmentation induite par H2O2 est comparable à celle de l’insuline, tandis que l’effet de l’EGF est plus transitoire. Un dosage d’activité de la PI 3-kinase, nous a permis de démontrer que l’intensité de l’activation de la PI 3-kinase est corrélée avec l’amplitude de l’augmentation du transport du sodium. Par comparaison avec l’effet de l’insuline et de l’H2O2, l’EGF augmente faiblement l’activité de la PI 3-kinase et induit une faible augmentation du transport. Nous avons également examiné si la voie des MAPK influence la stimulation du transport du sodium par ces différents agents. Cette voie ne semble pas impliquée dans l’effet de l’insuline ou du peroxyde d’hydrogène. Par contre, elle diminue la stimulation du transport de sodium par l’EGF. L’effet de l’EGF sur le transport semble résulter d’un compromis entre l’activation de la voie de la PI 3-kinase qui l’augmente et l’activation de la voie des MAPK qui le diminue. En conclusion, une augmentation de PIP3, soit par addition de PIP3 exogène, soit par augmentation endogène sous l’effet de l’insuline ou d’autres agents stimulant la PI 3-kinase, augmente le transport du sodium tandis qu’une diminution de PIP3 endogène (par surexpression de PTEN) le diminue. L’importance de l’activation de la PI 3-kinase est quantitativement corrélée avec l’importance de l’augmentation du transport du sodium. La PI 3-kinase est donc un médiateur-clef de la régulation rénale de ce transport.

We tested the hypothesis that oxytocin-induced labor augmented IL-1β-induced/-stimulated lung fluid absorption in preterm guinea pig fetuses. IL-1β was administered subcutaneously daily to timed-pregnant guinea pigs for 3 days with and without simultaneous cortisol synthesis inhibition by metyrapone. At day 3, oxytocin was administered, and fetuses were delivered by abdominal hysterotomy at 61 and by oxytocin-induced birth at 68 days gestation. Delivered fetuses were instilled with isosmolar 5% albumin into the lungs, and lung fluid movement was measured over 1 h by mass balance. Lung fluid absorption was induced in 61-day and stimulated in 68-day gestation lungs by IL-1β. Labor induction by oxytocin augmented IL-1β-induced/- stimulated lung fluid absorption. Metyrapone pretreatment did not affect oxytocin-induced/-stimulated lung fluid absorption, while completely blocking IL-1β-induced/-stimulated fluid absorption. Fetal lung fluid absorption, when present, was always propranolol and amiloride sensitive, suggesting that β-adrenoceptor stimulation and amiloride-sensitive sodium channels were critical for fluid absorption. Epithelial sodium channel and Na-K-ATPase subunit expressions were both increased by IL-1β, but not further by oxytocin. Our results indicate that IL-1β release into the maternal blood circulation positively affects lung maturation due to the IL-1β-induced release of cortisol and thus prepares the lungs for the epinephrine surge associated with labor.

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The present investigation is concerned with determining the role of calcium, phospholipids, and phospholipid metabolites on transepithelial sodium and water transport in response to antidiuretic hormone (ADH). These studies utilize the frog skin for determining sodium transport and amphibian urinary bladder for water flow measurements and scanning electron microscopy of cell surface morphology. The results demonstrate that phospholipids and phospholipid metabolites containing arachidonic acid stimulate transepithelial sodium transport through amiloride sensitive channels and the action of these lipids involves the synthesis of prostaglandins. These lipids also inhibited the increase in water flow induced by ADH, and this effect was prevented with prostaglandin synthesis inhibitors. Prostaglandins alter intracellular calcium concentrations and agents effecting calcium metabolism alter cell surface morphology and the changes in surface substructure induced by ADH. These observations support the hypothesis that alterations in membrane permeability to water and ions may involve metabolism of membrane phospholipids and prostaglandin biosynthesis.

Doctor of Philosophy / Department of Anatomy and Physiology / Bruce D. Schultz / The first aim of this project is to define the cellular mechanisms that account for the low Na[superscript]+ concentration in human milk. MCF10A cells, which were derived from human mammary epithelium and grown on permeable supports, exhibit amiloride- and benzamil-sensitive short circuit current (I[subscript]sc), suggesting activity of the epithelial Na[superscript]+ channel, ENaC. When cultured in the presence of cholera toxin (Ctx), MCF10A cells exhibit greater amiloride sensitive I[subscript]sc at all time points tested, an effect that is not reduced with Ctx washout for 12 hours or by cytosolic pathways inhibitors. Ctx increases the abundance of both beta and gamma-ENaC in the apical membrane and increases its monoubiquitination but without changing total protein and mRNA levels. Additionally, Ctx increases the levels of both the phosphorylated and the nonphosphorylated forms of Nedd4-2, a ubiquitin-protein ligase that regulates ENaC degradation. The results reveal a novel mechanism in human mammary gland epithelia by which Ctx regulates ENaC-mediated Na[superscript]+ transport. The second project aim is to develop a protocol to isolate mammary gland epithelia for subsequent in vitro culture. Caprine (1[superscript]0CME) and bovine mammary epithelia (1[superscript]0BME) were isolated and cultured on permeable supports to study hormone- and neurotransmitter-sensitive ion transport. Both 1[superscript]0CME and 1[superscript]0BME cells were passed for multiple subcultures and all passages formed electrically tight barriers. 1[superscript]0CME were cultured in the presence of hydrocortisone and exhibited high electrical resistance and amiloride-sensitive I[subscript]sc, suggesting the presence of ENaC-mediated Na[superscript]+ transport. 1[superscript]0BME were grown in a complex media in the presence or absence of dexamethasone. In contrast to 1[superscript]0CME, 1[superscript]0BME exhibited no detectable amiloride-sensitive I[subscript]sc in either culture condition. However, 1[superscript]0BME monolayers responded to an adrenergic agonist, norepinephrine, and a cholinergic agonist, carbamylcholine, with rapid increases in I[subscript]sc. Thus, this protocol for isolation and primary cell culture can be used for future studies that focus on mammary epithelial cell regulation and functions. In conclusion, the results from these projects demonstrate that mammary epithelial cells form electrically tight monolayers and can exhibit neurotransmitter- and/or hormone-induced net ion transport. The mechanisms that regulate Na[superscript]+ transport across mammary gland may provide clues to prevent or treat mastitis.

Cette thèse vise à démontrer l’importance de la PI 3-kinase dans la régulation hormonale de la réabsorption rénale du sodium. Ce contrôle extrêmement précis, notamment par l’aldostérone, s’effectue au niveau du néphron distal. Nous avons utilisé comme modèle l’épithélium de cellules A6, dérivées du tubule distal de Xenopus Laevis. Le transport unidirectionnel de sodium s’effectue en deux étapes: depuis, l’entrée à partir du milieu luminal par des canaux sodiques épithéliaux (ENaCs) insérés dans la membrane apicale, jusqu’à la sortie vers le liquide extracellulaire par des pompes Na+/K+-ATPases, situées dans la membrane basolatérale. L’insuline augmente ce transport de sodium et la PI 3-kinase semble assurer un rôle-clef.<p>Nous avons étudié l’importance de chacun des 3-phosphoinositides produits par la PI 3-kinase, sur le transport du sodium en ajoutant au milieu cellulaire des formes «perméantes» de ces phospholipides. Parmi ceux-ci, le PIP3 et dans une moindre intensité le PI(3,4)P2 augmentent ce transport. En revanche, le PI3P, le PI(3,5)P2, ainsi que le PI(4,5)P2 n’ont pas d’effet sur lui. Nous avons démontré par la technique du Western blot que la 3-phosphatase PTEN est exprimée dans les cellules A6. Cette phosphatase déphosphoryle le PIP3 en PI(4,5)P2. Nous avons surexprimé PTEN dans les cellules A6. Ceci réduit l’augmentation du transport du sodium induite par l’insuline, ainsi que celle induite par addition de la forme «perméante» de PIP3. <p>Nous avons ensuite vérifié si d’autres agents qui activent la PI 3-kinase, stimulent également le transport de sodium à travers cet épithélium. A cette fin, nous avons d’abord vérifié que l’EGF et le peroxyde d’hydrogène, connus pour stimuler la PI 3-kinase dans d’autres systèmes, activent également cette enzyme dans les cellules A6. Tous deux augmentent ce transport. L’importance de l’augmentation induite par H2O2 est comparable à celle de l’insuline, tandis que l’effet de l’EGF est plus transitoire. Un dosage d’activité de la PI 3-kinase, nous a permis de démontrer que l’intensité de l’activation de la PI 3-kinase est corrélée avec l’amplitude de l’augmentation du transport du sodium. Par comparaison avec l’effet de l’insuline et de l’H2O2, l’EGF augmente faiblement l’activité de la PI 3-kinase et induit une faible augmentation du transport. <p>Nous avons également examiné si la voie des MAPK influence la stimulation du transport du sodium par ces différents agents. Cette voie ne semble pas impliquée dans l’effet de l’insuline ou du peroxyde d’hydrogène. Par contre, elle diminue la stimulation du transport de sodium par l’EGF. L’effet de l’EGF sur le transport semble résulter d’un compromis entre l’activation de la voie de la PI 3-kinase qui l’augmente et l’activation de la voie des MAPK qui le diminue.<p>En conclusion, une augmentation de PIP3, soit par addition de PIP3 exogène, soit par augmentation endogène sous l’effet de l’insuline ou d’autres agents stimulant la PI 3-kinase, augmente le transport du sodium tandis qu’une diminution de PIP3 endogène (par surexpression de PTEN) le diminue. L’importance de l’activation de la PI 3-kinase est quantitativement corrélée avec l’importance de l’augmentation du transport du sodium. La PI 3-kinase est donc un médiateur-clef de la régulation rénale de ce transport.<p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Intestinal HCO3- secretion and the excretion of resultant CaCO3 precipitates have become a recognized characteristic of seawater osmoregulation in teleosts; however, this is the first report of this osmoregulatory strategy outside of teleosts and also includes evidence for its use in green turtles, Chelonia mydas. Furthermore, the effects of feeding on intestinal HCO3- secretion were newly investigated in teleosts. Intestinal base secretion via apical Cl-/HCO3- exchange was found to increase following feeding, at a magnitude sufficient to offset the "alkaline tide" commonly associated with digestion. Intestinal HCO3- secretion in marine teleosts draws HCO3- from both endogenous (via hydration of intracellular CO2) and serosal (blood) sources, of which serosal HCO3- was found to contribute a greater proportion to the elevated postprandial intestinal base secretion measured in gulf toadfish, Opsanus beta. The mechanism by which this serosal HCO3- crosses the basolateral membrane for subsequent secretion into the intestinal lumen was confirmed in toadfish to be a basolateral Na+/HCO3- co-transporter, tfNBCe1. Furthermore, the isolated intestinal tissue was found to have a high metabolic rate in both control and postprandial toadfish, with respect to that of the whole animal, and shows a considerable specific dynamic action (SDA) response to feeding. Overall, this dissertation provides evidence for the widespread use of intestinal HCO3- secretion as a strategy of marine osmoregulation across aquatic taxa, and also for its newly recognized involvement in postprandial acid-base balance.