CFTR and Ca2+ Signaling in Cystic Fibrosis

Among the diverse physiological functions exerted by calcium signaling in living cells, its role in the regulation of protein biogenesis and trafficking remains incompletely understood. In cystic fibrosis (CF) disease the most common CF transmembrane conductance regulator (CFTR) mutation, F508del-CFTR generates a misprocessed protein that is abnormally retained in the endoplasmic reticulum (ER) compartment, rapidly degraded by the ubiquitin/proteasome pathway and hence absent at the plasma membrane of CF epithelial cells. Recent studies have demonstrated that intracellular calcium signals consequent to activation of apical G-protein-coupled receptors by different agonists are increased in CF airway epithelia. Moreover, the regulation of various intracellular calcium storage compartments, such as ER is also abnormal in CF cells. Although the molecular mechanism at the origin of this increase remains puzzling in epithelial cells, the F508del-CFTR mutation is proposed to be the onset of abnormal Ca2+ influx linking the calcium signaling to CFTR pathobiology. This article reviews the relationships between CFTR and calcium signaling in the context of the genetic disease CF

Statistical inference of the time-varying structure of gene-regulation networks

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Biological networks are highly dynamic in response to environmental and physiological cues. This variability is in contrast to conventional analyses of biological networks, which have overwhelmingly employed static graph models which stay constant over time to describe biological systems and their underlying molecular interactions.</p> <p>Methods</p> <p>To overcome these limitations, we propose here a new statistical modelling framework, the ARTIVA formalism (Auto Regressive TIme VArying models), and an associated inferential procedure that allows us to learn temporally varying gene-regulation networks from biological time-course expression data. ARTIVA simultaneously infers the topology of a regulatory network and how it changes over time. It allows us to recover the chronology of regulatory associations for individual genes involved in a specific biological process (development, stress response, etc.).</p> <p>Results</p> <p>We demonstrate that the ARTIVA approach generates detailed insights into the function and dynamics of complex biological systems and exploits efficiently time-course data in systems biology. In particular, two biological scenarios are analyzed: the developmental stages of <it>Drosophila melanogaster </it>and the response of <it>Saccharomyces cerevisiae </it>to benomyl poisoning.</p> <p>Conclusions</p> <p>ARTIVA does recover essential temporal dependencies in biological systems from transcriptional data, and provide a natural starting point to learn and investigate their dynamics in greater detail.</p

Stimulation of Wild-Type, F508del- and G551D-CFTR Chloride Channels by Non-Toxic Modified pyrrolo[2,3-b]pyrazine Derivatives

Cystic fibrosis (CF) is a major inherited disorder involving abnormalities of fluid and electrolyte transport in a number of different organs due to abnormal function of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein. We recently identified a family of CFTR activators, which contains the hit: RP107 [7-n-butyl-6-(4-hydroxyphenyl)[5H]-pyrrolo[2,3-b]pyrazine]. Here, we further evaluated the effect of the chemical modifications of the RP107-OH radical on CFTR activation. The replacement of the OH radical by a fluorine atom at position 2 (RP193) or 4 (RP185) significantly decreased the toxicity of the compounds without altering the ability to activate CFTR, especially for RP193. The non-toxic compound RP193 has no effect on cAMP production but stimulates the channel activity of wild-type CFTR in stably transfected CHO cells, in human bronchial epithelial NuLi-1 cells, and in primary culture of human bronchial epithelial cells (HBEC). Whole-cell and single patch-clamp recordings showed that RP193 induced a linear, time- and voltage-independent current, which was fully inhibited by two different and selective CFTR inhibitors (CFTRinh-172 and GPinh5a). Moreover, RP193 stimulates CFTR in temperature-rescued CuFi-1 (F508del/F508del) HBEC and in CHO cells stably expressing G551D-CFTR. This study shows that it is feasible to reduce cytotoxicity of chemical compounds without affecting their potency to activate CFTR and to rescue the class 2 F508del-CFTR and class 3 G551D-CFTR CF mutant activities

CFTR et mucoviscidose, une histoire cinquantenaire

International audienceL’histoire médicale et scientifique de la mucoviscidose marquera durablement la médecine humaine. Il a fallu 50 ans d’expérimentations et d’observations médicales, favorisées par les progrès en génétique, en biologie moléculaire et en physiologie, pour construire la théorie ionique montrant que cette maladie est la conséquence d’un défaut généralisé du transport transépithélial de NaCl, et pour découvrir le gène responsable de la maladie. La découverte du gène CFTR et son clonage en 1989, la mise en évidence de ses mutations, puis la description de la protéine CFTR et de son rôle dans la maladie ont ainsi révolutionné la physiologie et la physiopathologie des transports ioniques des cellules épithéliales des systèmes respiratoire et digestif

Predicting CFTR activity with front-runner cystic fibrosis drugs

Références bibliographiquesInternational audienc

Mécanismes et correction pharmacologique de l'adressage de la protéine mutée F508del-CFTR

La délétion sur le gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) d une phénylalanine en position 508 est à l origine d une activation et d un adressage défectueux de la protéine traduite. L objectif de ce travail a été de découvrir des molécules corrigeant l adressage du F508del-CFTR. Le miglustat, en inhibant la déglucosylation du F508del-CFTR prévient son interaction avec la calnexine et permet son adressage à la membrane plasmique. De même, la modulation du taux de calcium réticulaire, en prévenant l interaction F508del-CFTR/calnexine, permet la correction du F508del-CFTR. Enfin, nous avons démontré que les sels de benzo[c]quinolizinium, en se fixant sur la glycine 622 du F508del-CFTR inhibent sa dégradation et permettent son adressage. La recherche des mécanismes impliqués dans cette correction pharmacologique a ainsi permis de révéler de nouvelles cibles potentielles dans la mise en place d un traitement de la mucoviscidose.Most patients suffering from Cystic Fibrosis have the F508del mutation on at least one CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator) allele which results in misfolding and gating flaw of CFTR. The aim of this work was focused on identifying compounds able to rescue the trafficking of F508del-CFTR. By inhibiting the deglucosylation of F508del-CFTR, miglustat, an a,1-2 glucosidase inhibitor, rescues the F508del-CFTR protein to the cell surface preventing its interaction with calnexin. Moreover, the modulation of Ca2+ level in the endoplasmic reticulum corrects F508del-CFTR trafficking preventing its interaction with calnexin. Finally, we identified a novel mechanism for correction of F508del-CFTR by the benzo[c]quinolizinium potentiators interacting with CFTR via the amino acid G622 to protect the channel from proteasome degradation. Research on the mechanisms of biosynthesis, trafficking and degradation of F508del-CFTR protein reveals new strategies for CF drug targets.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Caractérisation par mutagenèse dirigée des sites moléculaires impliqués dans la modulation pharmacologique du canal chlorure CFTR par la Génistéine, la Phloxine B et la Glibenclamide

La mucoviscidose est due à des mutations du gène codant pour le canal chlorure CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). L étude de la relation structure-fonction pharmacologique vise à déterminer les sites d actions de modulateurs directs de la protéine CFTR. Nos travaux ont permis de caractériser des résidus impliqués dans les sites d actions de deux inhibiteurs allostériques (Génistéine, PhloxineB)-la glycine 551 dans le site inhibiteur-la glycine 1349 dans le site activateur. Nos résultats montrent aussi l implication du résidu lysine 978, localisé la boucle cytoplasmique 3, dans le site d action du glibenclamide, inhibiteur de CFTR. Nos travaux identifient le rôle des glycines du motif signature des transporteurs ABC dans la modulation pharmacologique du canal CFTR. Nos résultats suggèrent que la boucle cytoplasmique 3 est placée près du pore du canal CFTR et pourrait attirer le glibenclamide près du pore du canal CFTRCystic Fibrosis is the most common lethal genetic disease caused by gene mutations encoding CFTR chloride channel. Because there is a lack of knowledge of molecular sites of action of CFTR potentiators or inhibitors, we investigated residues involved in direct effect of Genistein, PhloxinB and glibenclamide. We used site-directed mutagenesis combined to functional analysis of CFTR chloride channels (patch-clamp and iodide efflux). Our results show that the glycine residues G1349 and G551 within the ABC signature motifs play critical role in, respectively, the activation and inhibition of CFTR by PhloxinB and Genistein. We also probed evidences for a role of lysine 978, located on cytoplasmic loop 3, in CFTR inhibition by glibenclamide. This study highlights the important role of ABC signature motifs in the pharmacological regulation of CFTR. Our data also suggests a position, physically close to the pore, of the cytoplasmic loop 3 which can attract glibenclamide near the pore of CFTR.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Strategies to circumvent the CFTR defect in cystic fibrosis

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Relations structure-fonction du CFTR (étude de l'influence de l'extrémité C-terminale du NBD1 et de son environnement moléculaire sur l'adressage, l'activité et la pharmacologie des canaux)

La protéine transmembranaire CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator), impliquée dans la mucoviscidose est un canal chlorure régulée par l'ATP et l'AMPc. Les mécanismes de régulation des processus d'ouverture/fermeture du canal ne sont pas encore clairement démontrés mais depuis quelques années, les nouvelles données sur la structure moléculaire de la protéine ont permis des avancés dans ce domaine. Les objectifs de ce travail de recherche ont été de caractériser, par une étude de relation structure/fonction, le rôle de l'extrémité C-terminale du NBD1 et de son environnement moléculaire dans la régulation de la maturation ou de l'activité du canal ainsi que dans sa pharmacologie. Certains résidus déterminés par l'exploration des modèles moléculaires ont été mutés par mutagenèse dirigée puis les conséquences de ces mutations ont été analysées par les techniques de western blot, de patch clamp et d'efflux d iodure. Nos travaux ont permis de mettre en évidence l'importance de l'intégrité de la structure en épingle à cheveux de l'extrémité C-terminale du NBD1 ainsi que de ses différentes liaisons, dans la maturation et l'activité du canal. Concernant le mécanisme d'action des composés MPB, composés à double action (activateur et correcteur de CFTR), nous avons montré que la perturbation directe de la structure de la b-hairpin rendait l'action des composés impossible alors que la perturbation de la liaison avec le Walker A du NBD2 induisait une meilleure action des MPB. Nos travaux ont donc permis de mettre en évidence un rôle important de l'extrémité C-terminale du NBD1 dans la régulation de l'adressage, de l'activité et de la pharmacologie du canal CFTR.Cystic fibrosis (CF) is caused by mutations of the gene encoding the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). CFTR is a chloride channel regulated by ATP and cAMP. The regulation of the CFTR gating remains unclear. In this study we have investigated the role of the last b hairpin of NBD1 and its direct environment in the maturation, the activation and the pharmacology of the channel. We also performed a molecular dissection of CFTR by examining several CFTR mutants (constructed by site directed mutagenesis and tested by western blot, patch clamp recording and iodide efflux) located in the last b hairpin of NBD1 or in contact with it. Our results indicated that the integrity of the beta hairpin (and in particular the orientation of the two latest b strands) and its links with other domains is important for the maturation, the activity but also the pharmacology of the channel. All these results suggest an important influence of the C-terminus of the NBD1 for the control of CFTR channel gating and protein trafficking.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Toute une histoire...

http://www.mucoviscidose-cftr.com/2012/05/28/toute-une-histoire