Opiate withdrawal induces dynamic-expressions of AMPA receptors and its regulatory molecule CaMKII alpha in hippocampal synapses

Adaptive changes in brain areas following drug withdrawal are believed to contribute to drug seeking and relapse. Cocaine withdrawal alters the expression of GluR1 and GluR2/3 subunits of alpha-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid (AMPA) rec

The alterations of Ca2+/Calmodulin/CaMKII/CaV1.2 signaling in experimental models of Alzheimer's disease and vascular dementia

The two critical forms of dementia are Alzheimer's disease (AD) and vascular dementia (VD).The alterations of Ca2+/calmodulin/CaMKII/CaV1.2 signaling in AD and VD have not been well elucidated. Here we have demonstrated changes in the levels of CaV1.2, calmodulin, p-CaMKII, p-CREB and BDNF proteins by Western blot analysis and the co-localization of p-CaMKII/CaV1.2 by double-labeling immunofluorescence in the hippocampus of APP/PS1 mice and VD gerbils. Additionally, expression of these proteins and intracellular calcium levels were examined in cultured neurons treated with Aß1–42. The expression of CaV1.2 protein was increased in VD gerbils and in cultured neurons but decreased in APP/PS1 mice; the expression of calmodulin protein was increased in APP/PS1 mice and VD gerbils; levels of p-CaMKII, p-CREB and BDNF proteins were decreased in AD and VD models. The number of neurons in which p-CaMKII and CaV1.2 were co-localized, was decreased in the CA1 and CA3 regions in two models. Intracellular calcium was increased in the cultured neurons treated with Aß1–42. Collectively, our results suggest that the alterations in CaV1.2, calmodulin, p-CaMKII, p-CREB and BDNF can be reflective of an involvement in the impairment in memory and cognition in AD and VD models.

Abnormal alterations in the Ca2+/CaV1.2/calmodulin/caMKII signaling pathway in a tremor rat model and in cultured hippocampal neurons exposed to Mg2+-free solution

Voltage-dependent calcium channels (VDCCs) are key elements in epileptogenesis. There are several binding-sites linked to calmodulin (CaM) and several potential CaM-dependent protein kinase II (CaMKII)-mediated phosphorylation sites in CaV1.2. The tremor rat model (TRM) exhibits absence‑like seizures from 8 weeks of age. The present study was performed to detect changes in the Ca2+/CaV1.2/CaM/CaMKII pathway in TRMs and in cultured hippocampal neurons exposed to Mg2+‑free solution. The expression levels of CaV1.2, CaM and phosphorylated CaMKII (p‑CaMKII; Thr‑286) in these two models were examined using immunofluorescence and western blotting. Compared with Wistar rats, the expression levels of CaV1.2 and CaM were increased, and the expression of p‑CaMKII was decreased in the TRM hippocampus. However, the expression of the targeted proteins was reversed in the TRM temporal cortex. A significant increase in the expression of CaM and decrease in the expression of CaV1.2 were observed in the TRM cerebellum. In the cultured neuron model, p‑CaMKII and CaV1.2 were markedly decreased. In addition, neurons exhibiting co‑localized expression of CaV1.2 and CaM immunoreactivities were detected. Furthermore, intracellular calcium concentrations were increased in these two models. For the first time, o the best of our knowledge, the data of the present study suggested that abnormal alterations in the Ca2+/CaV1.2/CaM/CaMKII pathway may be involved in epileptogenesis and in the phenotypes of TRMs and cultured hippocampal neurons exposed to Mg2+‑free solution.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.

Tamoxifen down-regulates CaMKII messenger RNA levels in normal human breast tissue

Tamoxifen was proven to reduce the incidence of breast cancer by 49% in women at increased risk of the disease in the Breast Cancer Prevention Trial. In order to identify potential candidates to explain the preventive effect induced by tamoxifen on breast cancer, normal breast tissue obtained from 42 fibroadenoma patients, randomly assigned to receive placebo or tamoxifen, was analyzed by the reverse Northern blot and RT-PCR techniques. The cDNA fragments used on Northern blot membranes were generated by the Human Cancer Genome Project funded by the Ludwig Institute for Cancer Research and FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, Brazil). Total RNA was obtained from normal breast tissue from patients with clinical, cytological and ultrasound diagnosis of fibroadenoma. After a 50-day treatment with tamoxifen (10 or 20 mg/day) or placebo, normal breast tissue adjacent to the tumor was collected during lumpectomy with local anesthesia. One differentially expressed gene, Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), was found to be down-regulated during TAM treatment. CaMKII is an ubiquitous serine/threonine protein kinase that has been implicated in the diverse effects of hormones utilizing Ca2+ as a second messenger as well as in c-fos activation. These results indicate that the down-regulation of CaMKII induced by TAM might represent alternative or additional mechanisms of the action of this drug on cell cycle control and response to hormones in normal human breast tissue.

NO-dependent CaMKII activation during -adrenergic stimulation of cardiac muscle

AIMS:During β-adrenergic receptor (β-AR) stimulation, phosphorylation of cardiomyocyte ryanodine receptors by protein kinases may contribute to an increased diastolic Ca(2+) spark frequency. Regardless of prompt activation of protein kinase A during β-AR stimulation, this appears to rely more on activation of Ca(2+)/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), by a not yet identified signalling pathway. The goal of the present study was to identify and characterize the mechanisms which lead to CaMKII activation and elevated Ca(2+) spark frequencies during β-AR stimulation in single cardiomyocytes in diastolic conditions. METHODS AND RESULTS:Confocal imaging revealed that β-AR stimulation increases endogenous NO production in cardiomyocytes, resulting in NO-dependent activation of CaMKII and a subsequent increase in diastolic Ca(2+) spark frequency. These changes of spark frequency could be mimicked by exposure to the NO donor GSNO and were sensitive to the CaMKII inhibitors KN-93 and AIP. In vitro, CaMKII became nitrosated and its activity remained increased independent of Ca(2+) in the presence of GSNO, as assessed with biochemical assays. CONCLUSIONS:β-AR stimulation of cardiomyocytes may activate CaMKII by a novel direct pathway involving NO, without requiring Ca(2+) transients. This crosstalk between two established signalling pathways may contribute to arrhythmogenic diastolic Ca(2+) release and Ca(2+) waves during adrenergic stress, particularly in combination with cardiac diseases. In addition, NO-dependent activation of CaMKII is likely to have repercussions in many cellular signalling systems and cell types.

Maximal acceleration of calcium release refractoriness by β-adrenergic stimulation requires dual activation of protein kinase A and CaMKII in mouse ventricular myocytes

Time-dependent refractoriness of calcium (Ca2+) release in cardiac myocytes is an important factor in determining whether pro-arrhythmic release patterns develop. At the subcellular level of the Ca2+ spark, recent studies have suggested that recovery of spark amplitude is controlled by local sarcoplasmic reticulum (SR) refilling whereas refractoriness of spark triggering depends on both refilling and the sensitivity of the ryanodine receptor (RyR) release channels that produce sparks. Here we studied regulation of Ca2+ spark refractoriness in mouse ventricular myocytes by examining how β-adrenergic stimulation influenced sequences of Ca2+ sparks originating from individual RyR clusters. Our protocol allowed us to separately measure recovery of spark amplitude and delays between successive sparks, and data were interpreted quantitatively through simulations with a stochastic mathematical model. We found that, compared with spark sequences measured under control conditions: (1) β-adrenergic stimulation with isoproterenol accelerated spark amplitude recovery and decreased spark-to-spark delays; (2) activating protein kinase A (PKA) with forskolin accelerated amplitude recovery but did not affect spark-to-spark delays; (3) inhibiting PKA with H89 retarded amplitude recovery and increased spark- to-spark delays; (4) preventing phosphorylation of the RyR at serine 2808 with a knock-in mouse prevented the decrease in spark-to-spark delays seen with β-adrenergic stimulation; (5) inhibiting either PKA or Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) during β-adrenergic stimulation prevented the decrease in spark-to-spark delays seen) without inhibition. The results suggest that activation of either PKA or CaMKII is sufficient to speed SR refilling, but activation of both kinases appears necessary to observe increased RyR sensitivity. The data provide novel insight into β-adrenergic regulation of Ca2+ release refractoriness in mouse myocytes.

The 3′-untranslated region of CaMKIIα is a cis-acting signal for the localization and translation of mRNA in dendrites

Neuronal signaling requires that synaptic proteins be appropriately localized within the cell and regulated there. In mammalian neurons, polyribosomes are found not just in the cell body, but also in dendrites where they are concentrated within or beneath the dendritic spine. The α subunit of Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKIIα) is one of only five mRNAs known to be present within the dendrites, as well as in the soma of neurons. This targeted subcellular localization of the mRNA for CaMKIIα provides a possible cell biological mechanism both for controlling the distribution of the cognate protein and for regulating independently the level of protein expression in individual dendritic spines. To characterize the cis-acting elements involved in the localization of dendritic mRNA we have produced two lines of transgenic mice in which the CaMKIIα promoter is used to drive the expression of a lacZ transcript, which either contains or lacks the 3′-untranslated region of the CaMKIIα gene. Although both lines of mice show expression in forebrain neurons that parallels the expression of the endogenous CaMKIIα gene, only the lacZ transcripts bearing the 3′-untranslated region are localized to dendrites. The β-galactosidase protein shows a variable level of expression along the dendritic shaft and within dendritic spines, which suggests that neurons can control the local biochemistry of the dendrite either through differential localization of the mRNA or variations in the translational efficiency at different sites along the dendrite.

Expression, activation et localisation de CaMKII, CDK5, GSK3[bêta], PKA et ROCKII dans les souris JNPL3 qui expriment la forme humaine mutante P301L de tau

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Expression, activation et localisation de CaMKII, CDK5, GSK3[bêta], PKA et ROCKII dans les souris JNPL3 qui expriment la forme humaine mutante P301L de tau

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Antidepressant actions of lateral habenula deep brain stimulation differentially correlate with CaMKII/GSK3/AMPK signaling locally and in the infralimbic cortex

High frequency deep brain stimulation (DBS) of the lateral habenula (LHb) reduces symptoms of depression in severely treatment-resistant individuals. Despite the observed therapeutic effects, the molecular underpinnings of DBS are poorly understood. This study investigated the efficacy of high frequency LHb DBS (130Hz; 200μA; 90μs) in an animal model of tricyclic antidepressant resistance. Further, we reported DBS mediated changes in Ca(2+)/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKIIα/β), glycogen synthase kinase 3 (GSK3α/β) and AMP-activated protein kinase (AMPK) both locally and in the infralimbic cortex (IL). Protein expressions were then correlated to immobility time during the forced swim test (FST). Antidepressant actions were quantified via FST. Treatment groups comprised of animals treated with adrenocorticotropic hormone alone (ACTH; 100μg/day, 14days, n=7), ACTH with active DBS (n=7), sham DBS (n=8), surgery only (n=8) or control (n=8). Active DBS significantly reduced immobility in ACTH-treated animals (p<0.05). For this group, western blot results demonstrated phosphorylation status of LHb CaMKIIα/β and GSK3α/β significantly correlated to immobility time in the FST. Concurrently, we observed phosphorylation status of CaMKIIα/β, GSK3α/β, and AMPK in the IL to be negatively correlated with antidepressant actions of DBS. These findings suggest that activity dependent phosphorylation of CaMKIIα/β, and GSK3α/β in the LHb together with the downregulation of CaMKIIα/β, GSK3α/β, and AMPK in the IL, contribute to the antidepressant actions of DBS.