TRANSMEMBRANE TRANSPORT OF WATER AND UREA IN RAT CORNEAL ENDOTHELIAL CELLS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The permeability of the apical and basolateral membrane of rat corneal endothelial cells to water and urea was studied. It was shown that the apparent water permeability of the basolateral membrane of endothelial cells (4.43E-05 ± 7.57E-07 cm/s) is more than three times higher than the permeability of the apical membrane (1.21E-05 ± 1.03E-07 cm/s). The permeability of the basolateral membrane of endothelial cells to urea (1.23E-04 ± 1.56E-06 cm/s) was higher than the permeability of the apical membrane (9.52E-05 ± 1.02E-06 cm/s) by 30%. The contribution of phloretin-inhibited urea transport across the apical and basolateral membrane in these cells was studied. Phloretin at a concentration of 0.1 mM reduced the urea permeability by more than 20% through both the apical and basolateral membranes. The results suggest that the compositions of the transporters involved in water transport in the apical and basolateral membranes differ significantly. It is suggested that the high apparent water permeability of the basolateral membrane of endothelial cells could be explained by the contribution of concomitant water transport with ions involved in active transport processes. The presence of phloretin-sensitive urea transporters in the plasma membrane of endothelial cells that could take a part in urea transcellular movement, has been shown. The results indicate the possible importance of urea for corneal function.

About the authors

L. E Katkova

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ICG SB RAS); Novosibirsk State University (NSU)

Novosibirsk, Russia; Novosibirsk, Russia

G. S Baturina

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ICG SB RAS); Novosibirsk State University (NSU)

Novosibirsk, Russia; Novosibirsk, Russia

I. A Iskakov

S. N. Fedorov Eye Microsurgery Clinic (Novosibirsk Department)

Novosibirsk, Russia

E. I Solenov

Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ICG SB RAS); Novosibirsk State Technical University (NSTU)

Email: eugsol@bionet.nsc.ru
Novosibirsk, Russia; Novosibirsk, Russia

References

  1. Riley, M. V., Winkler, B. S., Peters, M. I., and Czajkowski, C. A. (1994) Relationship between fluid transport and in situ inhibition of Na+-K+ adenosine triphosphatase in corneal endothelium, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 35, 560-567.
  2. Riley, M. V., Winkler, B. S., Starnes, C. A., Peters, M. I., and Dang, L. (1998) Regulation of corneal endothelial barrier function by adenosine, cyclic AMP, and protein kinases, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 39, 2076-2084.
  3. Maurice, D. M. (1972) The location of the fluid pump in the cornea, J. Physiol., 221, 43-54, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1972.sp009737.
  4. Verkman, A. S., Ruiz-Ederra, J., and Levin, M. H. (2008) Functions of aquaporins in the eye, Prog. Retin. Eye Res., 27, 420-433, https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2008.04.001.
  5. Hampel, U., Chinnery, H. R., Garreis, F., Paulsen, F., de longh, R., Bui, B. V., Nguyen, C., Parry, L., and Huei Leo, C. (2020) Ocular phenotype of relaxin gene knockout mice, Curr. Eye Res., 45, 1211-1221, https://doi.org/10.1080/02713683.2020.1737714.
  6. Echevarria, M., Windhager, E. E., and Frindt, G. (1996) Selectivity of the renal collecting duct water channel aquaporin-3, J. Biol. Chem., 271, 25079-25082, https://doi.org/10.1074/jbc.271.41.25079.
  7. Miller, E. W., Dickinson, B. C., and Chang, C. J. (2010) Aquaporin-3 mediates hydrogen peroxide uptake to regulate downstream intracellular signaling, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 15681-15686, https://doi.org/10.1073/pnas.1005776107.
  8. Bonanno, J. A., Guan, Y., Jelamskii, S., and Kang, X. J. (1999) Apical and basolateral CO2-HCO3
  9. - permeability in cultured bovine corneal endothelial cells, Am. J. Physiol., 277, C545-C553, https://doi.org/10.1152/ajpcell.1999.277.3.C545.
  10. Velamakanni, G. S., Sharma, A., Batra, H. S., Velamakanni, S. M., Khan, M., and Gupta, S. (2021) Evaluation of tear film urea level as a diagnostic marker of dry eye disease: a pilot study, J. Lab. Physicians, 14, 43-46, https://doi.org/10.1055/s-0041-1739537.
  11. Shayakul, C., and Hediger, M. A. (2004) The SLC14 gene family of urea transporters, Pflugers Arch., 447, 603-609, https://doi.org/10.1007/s00424-003-1124-x.
  12. Shei, W., Liu, J., Htoon, H. M., Aung, T., and Vithana, E. N. (2013) Differential expression of the Slc4 bicarbonate transporter family in murine corneal endothelium and cell culture, Mol. Vis., 19, 1096-1106.
  13. Alvarez, B. V., Piché, M., Aizouki, C., Rahman, F., Derry, J. M. J., Brunette, I., and Casey, J. R. (2021) Altered gene expression in slc4a11
  14. -/- mouse cornea highlights SLc4a11 roles, Sci. Rep., 11, 20885, https://doi.org/10.1038/s41598-021-98921-w.
  15. Habtemariam, S. (2023) The molecular pharmacology of phloretin: anti-inflammatory mechanisms of action, Biomedicines, 11, 143, https://doi.org/10.3390/biomedicines11010143.
  16. Hytti, M., Ruuth, J., Kanerva, I., Bhattarai, N., Pedersen, M. L., Nielsen, C. U., and Kauppinen, A. (2023) Phloretin inhibits glucose transport and reduces inflammation in human retinal pigment epithelial cells, Mol. Cell. Biochem., 478, 215-227, https://doi.org/10.1007/s11010-022-04504-2.
  17. Bagnasco, S. M., Peng, T., Janech, M. G., Karakashian, A., and Sands, J. M. (2001) Cloning and characterization of the human urea transporter UT-A1 and mapping of the human Slc14a2 gene, Am. J. Physiol. Renal Physiol., 281, F400-F406, https://doi.org/10.1152/ajprenal.2001.281.3.F400.
  18. Brahm, J., Dziegiel, M. H., and Leifelt, J. (2023) Urea and water are transported through different pathways in the red blood cell membrane, J. Gen. Physiol., 155, e202213322, https://doi.org/10.1085/jgp.202213322.
  19. Tsukaguchi, H., Shayakul, C., Berger, U. V., Mackenzie, B., Devidas, S., Guggino, W. B., van Hoek, A. N., and Hediger, M. A. (1998) Molecular characterization of a broad selectivity neutral solute channel, J. Biol. Chem., 273, 24737-24743, https://doi.org/10.1074/jbc.273.38.24737.
  20. Tsukaguchi, H., Weremowicz, S., Morton, C. C., and Hediger, M. A. (1999) Functional and molecular characterization of the human neutral solute channel aquaporin-9, Am. J. Physiol., 277, F685-F696, https://doi.org/10.1152/ajprenal.1999.277.5.F685.
  21. Haddoub, R., Rützler, M., Robin, A., and Flitsch, S. L. (2009) Design, synthesis and assaying of potential aquaporin inhibitors, Handb. Exp. Pharmacol., 190, 385-402, https://doi.org/10.1007/978-3-540-79885-9_19.
  22. Kuseina, I. M., Katkova, L. E., Baturina, G. S., Palchikova, I. G., Iskakov, I. A., and Solenov, E. I. (2024) Corneal endothelial cell volume regulation disorders in keratoconus, Biochem. Moscow Suppl. Ser. A, 18, 44-50, https://doi.org/10.1134/S1990747824700065.
  23. Solenov, E. I., Nesterov, V. V., Baturina, G. S., Khodus, G. R., and Ivanova, L. N. (2003) Effect of dDAVP on basolateral cell surface water permeability in the outer medullary collecting duct, Eur. Biophys. J., 32, 614-619, https://doi.org/10.1007/s00249-003-0308-9.
  24. Solenov, E., Watanabe, H., Manley, G. T., and Verkman, A. S. (2004) Sevenfold-reduced osmotic water permeability in primary astrocyte cultures from AQP-4-deficient mice, measured by a fluorescence quenching method, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 286, C426-C432, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00298.2003.
  25. Zarogiannis, S. G., Ilyaskin, A. V., Baturina, G. S., Katkova, L. E., Medvedev, D. A., Karpov, D. I., Ershov, A. P., and Solenov, E. I. (2013) Regulatory volume decrease of rat kidney principal cells after successive hypo-osmotic shocks, Math. Biosci., 244, 176-187, https://doi.org/10.1016/j.mbs.2013.05.007.
  26. Price, M. O., Mehta, J. S., Jurkunas, U. V., and Price, F. W. Jr. (2021) Corneal endothelial dysfunction: evolving understanding and treatment options, Prog. Retin. Eye Res., 82, 100904, https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2020.100904.
  27. Иляскин А.В., Батурина Г.С., Медведев Д.А., Ершов А.П., Соленов Е.И. (2011) Исследование реакции главных клеток собирательных трубок почки на гипотонический шок. Эксперимент и математическое моделирование, Биофизика, 56, 550-560.
  28. Fischbarg, J., and Lim, J. (1974) Role of cations, anions, and carbonic anhydrase in fluid transport across rabbit corneal endothelium, J. Physiol., 241, 647-675, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1974.sp010676.
  29. Riley, M. V., Winkler, B. S., Czajkowski, C. A., and Peters, M. I. (1995) The roles of bicarbonate and CO2 in transendothelial fluid movement and control of corneal thickness, Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 36, 103-112.
  30. Winkler, B., Riley, M., Peters, M., and Williams, F. (1992) Chloride is required for fluid transport by the rabbit corneal endothelium, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 262, C1167-C1174, https://doi.org/10.1152/ajpcell.1992.262.5.C1167.
  31. Bogner, B., Schroedl, F., Trost, A., Kaser-Eichberger, A., Runge, C., Strohmaier, C., Motloch, K. A., Bruckner, D., Hauser-Kronberger, C., Bauer, H. C., and Reitsamer, H. A. (2016) Aquaporin expression and localization in the rabbit eye, Exp. Eye Res., 147, 20-30, https://doi.org/10.1016/j.exer.2016.04.013.
  32. Nautscher, N., Bauer, A., Steffl, M., and Amselgruber, W. M. (2016) Comparative morphological evaluation of domestic animal cornea, Vet. Ophthalmol., 19, 297-304, https://doi.org/10.1111/vop.12298.
  33. Yu, D., Thelin, W. R., Randell, S. H., and Boucher, R. C. (2012) Expression profiles of aquaporins in rat conjunctiva, cornea, lacrimal gland and Meibomian gland, Exp. Eye Res., 103, 22-32, https://doi.org/10.1016/j.exer.2012.07.005.
  34. Thiagarajah, J. R., and Verkman, A. S. (2002) Aquaporin deletion in mice reduces corneal water permeability and delays restoration of transparency after swelling, J. Biol. Chem., 277, 19139-19144, https://doi.org/10.1074/jbc.M202071200.
  35. Melnyk, S., and Bollag, W. B. (2024) Aquaporins in the cornea, Int. J. Mol. Sci., 25, 3748, https://doi.org/10.3390/ijms25073748.
  36. Kuang, K., Yiming, M., Wen, Q., Li, Y., Ma, L., Iserovich, P., Verkman, A. S., and Fischbarg, J. (2004) Fluid transport across cultured layers of corneal endothelium from aquaporin-1 null mice, Exp. Eye Res., 78, 791-798, https://doi.org/10.1016/j.exer.2003.11.017.
  37. Allnoch, L., Beythien, G., Leitzen, E., Becker, K., Kaup, F. J., Stanelle-Bertram, S., Schaumburg, B., Mounogou Kouassi, N., Beck, S., Zickler, M., Herder, V., Gabriel, G., and Baumgartner, W. (2021) Vascular inflammation is associated with loss of aquaporin 1 expression on endothelial cells and increased fluid leakage in SARS-CoV-2 infected golden Syrian hamsters, Viruses, 13, 639, https://doi.org/10.3390/v13040639.
  38. Dikstein, S., and Maurice, D. M. (1972) The metabolic basis to the fluid pump in the cornea, J. Physiol., 221, 29-41, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1972.sp009736.
  39. Sun, X. C., and Bonanno, J. A. (2002) Expression, localization, and functional evaluation of CFTR in bovine corneal endothelial cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 282, C673-C683, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00384.2001.
  40. Sun, X. C., Bonanno, J. A., Jelamskii, S., and Xie, Q. (2000) Expression and localization of NaHCO3 cotransporter in bovine corneal endothelium, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 279, C1648-C1655, https://doi.org/10.1152/ajpcell.2000.279.5.C1648.
  41. Kuang, K., Li, Y., Wen, Q., Wang, Z., Li, J., Yang, Y., Iserovich, P., Reinach, P. S., Sparrow, J., Diecke, F. P., and Fischbarg, J. (2001) Corneal endothelial NKCC: molecular identification, location, and contribution to fluid transport, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 280, C491-C499, https://doi.org/10.1152/ajpcell.2001.280.3.C491.
  42. Vilas, G. L., Loganathan, S. K., Liu, J., Riau, A. K., Young, J. D., Mehta, J. S., and Vithana, E. N. (2013) Transmembrane water-flux through SLC4A11: a route defective in genetic corneal diseases, Hum. Mol. Genet., 22, 4579-4590, https://doi.org/10.1093/hmg/ddt307.
  43. Myers, E. J., Marshall, A., Jennings, M. L., and Parker, M. D. (2016) Mouse SLC4A11 expressed in Xenopus oocytes is an ideally selective H+/OH- conductance pathway that is stimulated by rises in intracellular and extracellular pH, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 311, C945-C959, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00259.2016.
  44. Kao, L., Azimov, R., Abuladze, N., Newman, D., Kurtz, I., and Pushkin, A. (2020) SLC4A11 function: evidence for H+/OH- and NH3-H+ transport, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 318, C392-C405, https://doi.org/10.1152/ajpcell.00425.2019.
  45. Vithana, E. N., Morgan, P., Sundaresan, P., Ebenezer, N. D., Tan, D. T., Mohamed, M. D., Anand, S., Khine, K. O., Venkataraman, D., Yong, V. H., Salto-Tellez, M., Venkatraman, A., Guo, K., Hernadevi, B., Srinivasan, M., Prajna, V., Khine, M., and Casey, J. R. (2008) SLC4A11 mutations in Fuchs endothelial corneal dystrophy, Hum. Mol. Genet., 17, 656-666, https://doi.org/10.1093/hmg/ddm337.
  46. Roy, S., Praneetha, D. C., and Vendra, V. P. (2015) Mutations in the corneal endothelial dystrophy-associated gene SLC4A11 render the cells more vulnerable to oxidative insults, Cornea, 34, 668-674, https://doi.org/10.1097/ICO.0000000000000421.
  47. Alka, K., and Casey, J. R. (2018) Molecular phenotype of SLC4A11 missense mutants: setting the stage for personalized medicine in corneal dystrophies, Hum. Mutat., 39, 676-690, https://doi.org/10.1002/humu.23401.
  48. Li, S., Kim, E., Bonanno, J. A., and Vithana, E. N. (2019) R125H, W240S, C386R, and V507I SLC4A11 mutations associated with corneal endothelial dystrophy affect the transporter function but not trafficking in PS120 cells, Exp. Eye Res., 180, 86-91, https://doi.org/10.1016/j.exer.2018.12.003.
  49. Malhotra, D., Loganathan, S. K., Chiu, A. M., Lukowski, C. M., Casey, J. R., and Vithana, E. N. (2020) Defective cell adhesion function of solute transporter, SLC4A11, in endothelial corneal dystrophies, Hum. Mol. Genet., 29, 97-116, https://doi.org/10.1093/hmg/ddz259.
  50. Wang, Y., Klein, J. D., and Sands, J. M. (2023) Phosphatases decrease water and urea permeability in rat inner medullary collecting ducts, Int. J. Mol. Sci., 24, 6537, https://doi.org/10.3390/ijms24076537.
  51. Tamma, G., Procino, G., Svelto, M., and Valenti, G. (2012) Cell culture models and animal models for studying the patho-physiological role of renal aquaporins, Cell. Mol. Life Sci., 69, 1931-1946, https://doi.org/10.1007/s00018-011-0903-3.
  52. Huber, V. J., Tsujita, M., Yamazaki, M., Sakimura, K., and Nakada, T. (2007) Identification of arylsulfonamides as Aquaporin 4 inhibitors, Bioorg. Med. Chem. Lett., 17, 1270-1273, https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2006.12.010.
  53. Kabutomori, J., Pina-Lopes, N., and Musa-Aziz, R. (2020) Water transport mediated by murine urea transporters: implications for urine concentration mechanisms, Biol. Open, 9, bio051805, https://doi.org/10.1242/bio.051805.
  54. Fenton, R. A., Chou, C. L., Stewart, G. S., Smith, C. P., and Knepper, M. A. (2004) Urinary concentrating defect in mice with selective deletion of phloretin-sensitive urea transporters in the renal collecting duct, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 7469-7474, https://doi.org/10.1073/pnas.0401704101.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».