Localization and regulation of trpv4 channels in CILIATED epithelia

Abstract

La neteja del moc i dels patògens dels pulmons, i el transport de gàmets i embrions en els òrgans reproductius de les femelles són funcions clau en els epitelis ciliats, tals com aquells que es troben presents en les vies respiratòries i l'oviducte. La taxa de transport mucociliar és funció de la freqüència de batut ciliar (CBF) i aquesta freqüència és augmentada per increments en la concentració de Ca2+ intracelul·lar. El canal catiònic "transient potential vanilloid 4" (TRPV4) intervé en l'entrada de Ca2+ en resposta a estímuls mecànics i osmòtics. L'expressió del TRPV4 en l'epiteli ciliat de les vies respiratòries i de l'oviducte és confirmada mitjançant la localització per immunofluorescència del canal iònic a la membrana apical de l'epiteli ciliat i polaritzat, allà on la senyalització de Ca2+ és requerida per la regulació de la CBF. Cèl·lules ciliades de la tràquea de ratolins TRPV4-/- no expressen el canal TRPV4, no responen a l'activador específic del TRPV4, el 4α-phorbol 12,13-didecanoate (4α-PDD) i presenten respostes de Ca2+ reduïdes a temperatures mitjanes (~25ºC- 8ºC), un altre estímul dels canals TRPV4. L'activació dels canals TRPV4 per solucions altament viscoses i per hypotonicitat depèn de l'activació de la via de la fosfolipasa A2(PLA2)i la subseqüent producció de àcid epoxieicosatrienoic (EET). En condicions de baixa activació de la PLA2, estímuls mecànics i hipotònics alliberen ATP per a l'activació de la via de la fosfolipasa C (PLC)-inositol trifosfat (IP3) per contribuir a l'activació dels canals TRPV4. Descrivim que el metabòlit IP3 sense ser un agonista per ell mateix, sensibilitza el TRPV4 per a l'activació de EET, essent aquest un mecanisme general. L'acoblament funcional entre els canals TRPV4 de la membrana plasmàtica i els receptors de IP3 (IP3R) és necessari tant per iniciar com mantenir la senyalització oscil·latòria del Ca2+ desencadenada per estímuls viscosos i hipotònics. Un dels principals activadors de la CBF, la adenosina-5'-trifosfat (ATP), desencadena una resposta cel·lular mediada per Ca2+ en la que es desencadena tant l'alliberament de Ca2+ des dels dipòsits intracel·lulars com l'entrada de Ca2+. És destacable la contribució de el TRPV4 en l'augment de la CBF mediada per ATP. És més, el nostre treball implica als canals TRPV4 exclusivament en l'entrada de Ca2+ activada per receptor (ROCE). Tot plegat, aquesta tesi doctoral mostra el paper dels canals TRPV4 en l'acoblament d'estímuls fisiològics tipus mecànic, osmòtic i químic a la regulació de la CBF en l'epiteli ciliat destinat al transport mucociliar.

Clearance of mucus and pathogenic agents from lungs and the transport of gametes and embryos in the female reproductive organs are key functions of ciliated epithelia such as those present in the airways and the oviduct. The rate of mucociliary transport is a function of ciliary beat frequency (CBF) and this, in turn, is increased by increases in intracellular calcium. Transient potential vanilloid 4 (TRPV4)cation channel mediates Ca2+ influx in response to mechanical and osmotic stimuli. TRPV4 expression in ciliated epithelia from airways and oviduct is confirmed by immunofluorescence localization of the channel at the apical membrane of the polarized ciliated epithelia, where the Ca2+ signalling is required for CBF regulation. Ciliated tracheal cells from TRPV4-/-mice show no TRPV4 expression, neither increases in intracellular Ca2+ and CBF in response to the TRPV4-specific activator 4α- phorbol 12,13- idecanoate (4α-PDD), and reduced responses to mild temperatures (~25ºC - 38ºC), another TRPV4-activating stimulus. TRPV4 gating by high viscous loads and hypotonicity depends on phospholipase A2 (PLA2) pathway activation and subsequent production of epoxyeicosatrienoic acid (EET). Under conditions of low PLA2 activation, mechanical and hypotonic stimuli use extracellular ATP release-mediated activation of phospholipase C (PLC)-inositol triphosphate(IP3)signalling to support TRPV4 gating. We describe that IP3, without being an agonist itself, sensitizes TRPV4 to EET activation. Besides, the functional coupling between plasma membrane TRPV4 channels and IP3 receptors (IP3R) is required to initiate and maintain the cellular oscillatory Ca2+ signal triggered by high viscous loads and hypotonic stimuli. One of the main CBF activators, adenosine-5'-triphosphate (ATP), triggers both Ca2+ release from intracellular Ca2+ stores and Ca2+ entry. Interestingly, TRPV4 contributes to ATP-induced increase in CBF. Furthermore, our work implicates TRPV4 channel exclusively in receptor-operated Ca2+ entry. Collectively, this PhD thesis shows the role of TRPV4 channels coupling physiologically relevant mechanical, hypotonic and chemical stimuli to CBF regulation in motile ciliary epithelia.