Cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR), the gene product that is mutated in cystic fibrosis (CF) patients, has a well-recognized function as a cyclic adenosine 3′,5′-monophosphate (cAMP)-regulated chloride channel, but this property does not account for the abnormally high basal rate and cAMP sensitivity of sodium ion absorption in CF airway epithelia. Expression of complementary DNAs for rat epithelial Na + channel (rENaC) alone in Madin Darby canine kidney (MDCK) epithelial cells generated large amiloride-sensitive sodium currents that were stimulated by cAMP, whereas coexpression of human CFTR with rENaC generated smaller basal sodium currents that were inhibited by cAMP. Parallel studies that measured regulation of sodium permeability in fibroblasts showed similar results. In CF airway epithelia, the absence of this second function of CFTR as a cAMP-dependent regulator likely accounts for abnormal sodium transport.

The transepithelial potential difference (PD) of cystic fibrosis (CF) airway epithelium is abnormally raised and the Cl- permeability is low. We studied the contribution of active Na+ absorption to the PD and attempted to increase the Cl- permeability of CF epithelia. Nasal epithelia from CF and control subjects were mounted in Ussing chambers and were short-circuited. The basal rate of Na+ absorption was raised in CF polyps compared with control tissues. Whereas beta agonists induced Cl- secretion in normal and atopic epithelia, beta agonists further increased the rate of Na+ absorption in CF epithelia without inducing Cl- secretion. This unusual effect is not due to an abnormal CF beta receptor because similar effects were induced by forskolin, and because cAMP production was similar in normal and CF epithelia. We conclude that CF airway epithelia absorb Na+ at an accelerated rate. The abnormal response to beta agonists may reflect a primary abnormality in a cAMP-modulated path, or a normal cAMP-modulated process in a Cl- impermeable epithelial cell.

The epithelium of nasal tissue excised from subjects with cystic fibrosis exhibited higher voltage and lower conductance than tissue from control subjects. Basal sodium ion absorption by cystic fibrosis and normal nasal epithelia equaled the short-circuit current and was amiloride-sensitive. Amiloride induced chloride ion secretion in normal but not cystic fibrosis tissue and consequently was more effective in inhibiting the short-circuit current in cystic fibrosis epithelia. Chloride ion-free solution induced a smaller hyperpolarization of cystic fibrosis tissue. The increased voltage and amiloride efficacy in cystic fibrosis reflect absorption of sodium ions across an epithelium that is relatively impermeable to chloride ions.

The effect of the number of cystic fibrosis (CF) alleles on cholera toxin (CT)-induced intestinal secretion was examined in the CF mouse model. CF mice that expressed no CF transmembrane conductance regulator (CFTR) protein did not secrete fluid in response to CT. Heterozygotes expressed 50 percent of the normal amount of CFTR protein in the intestinal epithelium and secreted 50 percent of the normal fluid and chloride ion in response to CT. This correlation between CFTR protein and CT-induced chloride ion and fluid secretion suggests that CF heterozygotes might possess a selective advantage of resistance to cholera.

The function of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) as a Cl- channel in the apical membrane of epithelial cells is extensively documented. However, less is known about the molecular determinants of CFTR residence in the apical membrane, basal regulation of its Cl- channel activity, and its reported effects on the function of other transporters. These aspects of CFTR function likely require specific interactions between CFTR and unknown proteins in the apical compartment of epithelial cells. Here we report that CFTR interacts with the recently discovered protein, EBP50 (ERM-binding phosphoprotein 50). EBP50 is concentrated at the apical membrane in human airway epithelial cells, in vivo, and CFTR and EBP50 associate in in vitro binding assays. The CFTR-EBP50 interaction requires the COOH-terminal DTRL sequence of CFTR and utilizes either PDZ1 or PDZ2 of EBP50, although binding to PDZ1 is of greater affinity. Through formation of a complex, the interaction between CFTR and EBP50 may influence the stability and/or regulation of CFTR Cl- channel function in the cell membrane and provides a potential mechanism through which CFTR can affect the activity of other apical membrane proteins.

The underlying defect in cystic fibrosis is mutation of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), a cAMP-activated chloride channel expressed at the apical surface of lung epithelia. In addition to its export and maintenance at the cell surface, CFTR regulation involves repeated cycles of transport through the endosomal trafficking system, including endocytosis and recycling. Many of the known disease mutations cause CFTR intracellular trafficking defects that result in failure of ion channel delivery to the apical plasma membrane. Corrective maneuvers directed at improving transport to the plasma membrane are thwarted by rapid internalization and degradation of the mutant CFTR proteins. The molecular mechanisms involved in these processes are not completely understood but may involve protein-protein interactions with the C-terminal type I PDZ-binding motif of CFTR. Using a proteomic approach, we identify sorting nexin 27 (SNX27) as a novel CFTR binding partner in human airway epithelial Calu-3 cells. SNX27 and CFTR interact directly, with the SNX27 PDZ domain being both necessary and sufficient for this interaction. SNX27 co-localizes with internalized CFTR at sub-apical endosomal sites in polarized Calu-3 cells, and either knockdown of the endogenous SNX27, or over-expression of a dominant-negative SNX27 mutant, resulted in significant decreases in cell surface CFTR levels. CFTR internalization was not affected by SNX27 knockdown, but defects were observed in the recycling arm of CFTR trafficking through the endosomal system. Furthermore, knockdown of SNX27 in Calu-3 cells resulted in significant decreases in CFTR protein levels, consistent with degradation of the internalized pool. These data identify SNX27 as a physiologically significant regulator of CFTR trafficking and homeostasis in epithelial cells.