Amino acid transport : the special case of a H/L-glutamate cotransport system in Asparagus sprengeri mesophyll cells /

The addition of L-Glutamate (L-GLU) and L-Hethionine ~ulfoximine (L-HSO) to mechanically isolated. photosynthetically competent, Asparagus sprengeri mesophyll cells ~u~pended in 1mM CaS04 cau~ed an immediate transient alkalinization of the cell su~pension medium in both the light and dark. The alkalinization response was specific and stereospecific as none of the L-isomers of the other 19 protein amino acids tested or D-GLU gave this response. Uptake of 14C-L-GLU was stimulated by the light. The addition of non-radioactive L-GLU. or L-GLU analogs together with 14C-L-GLU showed that only L-GLU and L-HSO stimulated alkalinization whilst inhibiting the uptake of 14C-L-GLU. Both the L-GLU dependent alkalinization and the upt~ke of 14C-L-GLU were stimulated when the external pH was decreased from 6.5 to 5.5. Increasing external K+ concentrations inhibited the uptake of 14C-L-GLU. Fusicoccin (FC) stimulated uptake. The L-GLU dependent alkalinization re~ponse exhibited monophasic saturation kinetics while the uptake of 14C-L-GLU exhibited biphasic saturation kinetics. In addition to a saturable component. the uptake kinetics also showed a linear component of uptake. Addition of L-GLU and L-MSO caused internal acidification of the cell as measured by a change in the distribution of 14C-DMO. There was no change in K+ efflux when L-GLU was added. A H+ to L-GLUinflux stoichiometry of 3:1 wa~ mea~ured at an external I.-GLU concentration of O.5mM and increased with increasing external 13 L-QLU concentration. Metabolism of L-GLU was detected manometrlcally by observing an increase in COa evolution upon the addition of L-QLU and by detection of i*C02 evolution upon the addition of »*C-L-GLU. »*C02 evolution was higher in the dark than in the light. The data are consistent with the operation of a H+/L-QLO cotransport system. The data also show that attempts to quantify the stoichlometry of the process were complicated by the metabolism of L-GLU.

Electrogenic proton/L-glutamate symport in isolated asparagus sprengeri mesophyll cell

Medium' alkaliniiation occurred -lipon the addition of L-Glu to mechanically isolated Asparagus sprenger-i mesophyll cells suspended in 1 mM CaS04. Alkalinization resulted from the coupled entry of H+ and L-Glu anion into the cells. This H+ IL-Glu symport did not stimulate K+ efflux. K+ efflux has been observed during H~ lamino acid symport in other systems. The stimulation of K+ efflux by proton coupled symport is regarded as an indicator of a plasma membrane depolarizing electrogenic symport process. H+ IL-Glu symport in Asparagus sprengerimesophyl1 cells was investigated to determine whether or not the process was electrogenic. The rate of uptake of 0.25 11M 3H-MTPP+ ( Methyltriphenylphosphonium, methyl-3H ) is a probe for monitoring changes in the membrane potential. 3HMTPP+ uptake was reduced by K+ or CCCP, agents known to depolarize the membrane potential. Uptake of 3H-MTPP+ was also inhibited by L-Glu but not by D-Glu. Conversely, 10 mM external MTPP+ inhibited the uptake of 14C-U-LGlu. Simultaneous measurements of the rates of 14C-U-L-Glu uptake and L-Glu dependent H+ influx showed that the molar stoichiometry of H+ IL-Glu symport was 2 to 1. K+ or Na+ stimulated H+ efflux was completely inhibited by DCCD, DES, oligomycin and antimycin reagents which inhibit ATP driven H+ efflux. The H+ efflux \Vas also stimulate.d by the weak acids, butyric acid and acetic acid, which are known fo-aCidify the cytoplasm. This weak acid stimulated H+ efflux was also completely inhibited by oligomycin. It was calculated that net L-Glu dependent H+ influx increased by 100% in the presence of oligomycin and that despite net medium alkalinization H+ IL-Glu symport stimulates ATP dependent H+ efflux. 11 The data presented in this study indicate that H+ IL-Glu symport is electrogenic. The data also show that ATP dependent Ht efflux rather than K+ efflux is the- process compensating for thi~ electrogenic H+ IL-Glu symport.

L-Glutamate uptake, decarboxylation to -aminobutyric acid and GABA efflux in isolated Asparagus sprengeri mesophyll cells

Addition of L-glutamate caused alkalinization of the medium surrounding Asparagus spreng.ri mesophyll cells. This suggests a H+/L-glutmate symport uptake system for L-glutamate. However stoichiometries of H+/L-glutamate symport into Asparagus cells were much higher than those in other plant systems. Medium alkalinization may also result from a metabolic decarboxylation process. Since L-glutmate is decarboxylated to r-amino butyric acid (SABA) in this system, the origin of medium alkalinization was reconsidered. Suspensions of mechanically isolated and photosyntheically competent Asparagus sprengeri mesophyll cells were used to investigate the H+/L-glutamate symport system, SABA production, GABA transport, and the origin of L-glutamate dependent medium alkalinization. The major results obtained are summarized as follows: 1. L-Glutamate and GABA were the second or third most abundant amino acids in these cells. Cellular concentrations of L-glutamate were 1.09 mM and 1.31 mM in the light and dark, respectively. Those of SABA were 1.23 mM and 1.17 mM in the light and dark, respectively. 2. Asparagine was the most abundant amino acid in xylem sap and comprised 54 to 68 1. of the amino acid pool on a molar basis. GABA was the second most abundant amino acid and represented 10 to 11 1. of the amino acid pool. L-Slutamate was a minor component. 3. A 10 minute incubation with 1 mM L-glutamate increased the production of GABA in the medium by 2,743 7. and 2,241 7. in the light and dark, respectively. 4. L-Glutamate entered the cells prior to decarboxylation. 5. There was no evidence for a H+/GABA symport process • 6. GABA was produced by loss of carbon-1 of L-glutamate. 7. The specific activity of newly synthesized labeled GABA suggests that it is not equilibrated with a storage pool of GABA. 8. The mechanism of GABA efflux appears to be a passive process. 9. The evidence indicates that the origin of L-glutamate dependent medium alkalinization is a H+/L-glutamate symport not an extracellular decarboxylation. The possible role of GABA production in regulating cytoplasmic pH and L-glutamate levels during rapid electrogenic H+/L-glutamate symport is discussed.

Modulation de l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate : implication dans la plasticité des neurones dopaminergiques

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques.

Implication du glutamate et de l'oxyde nitrique dans la modulation de la dépression synaptique à court terme à la jonction neuromusculaire de Rana pipiens

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Regulation of excitotoxicity in thiamine deficiency : role of glutamate transporters.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT.

Increased extracellular brain glutamate in acute liver failure: decreased uptake or increased release?

Glutamatergic dysfunction has been suggested to play an important role in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE) in acute liver failure (ALF). Increased extracellular brain glutamate concentrations have consistently been described in different experimental animal models of ALF and in patients with increased intracranial pressure due to ALF. High brain ammonia levels remain the leading candidate in the pathogenesis of HE in ALF and studies have demonstrated a correlation between ammonia and increased concentrations of extracellular brain glutamate both clinically and in experimental animal models of ALE Inhibition of glutamate uptake or increased glutamate release from neurons and/or astrocytes could cause an increase in extracellular glutamate. This review analyses the effect of ammonia on glutamate release from (and uptake into) both neurons and astrocytes and how these pathophysiological mechanisms may be involved in the pathogenesis of HE in ALF.

Acute insult of ammonia leads to calcium-dependent glutamate release from cultured astrocytes, an effect of pH.

Hyperammonemia is a key factor in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE) as well as other metabolic encephalopathies, such as those associated with inherited disorders of urea cycle enzymes and in Reye's syndrome. Acute HE results in increased brain ammonia (up to 5 mM), astrocytic swelling, and altered glutamatergic function. In the present study, using fluorescence imaging techniques, acute exposure (10 min) of ammonia (NH4+/NH3) to cultured astrocytes resulted in a concentration-dependent, transient increase in [Ca2+]i. This calcium transient was due to release from intracellular calcium stores, since the response was thapsigargin-sensitive and was still observed in calcium-free buffer. Using an enzyme-linked fluorescence assay, glutamate release was measured indirectly via the production of NADH (a naturally fluorescent product when excited with UV light). NH4+/NH3 (5 mM) stimulated a calcium-dependent glutamate release from cultured astrocytes, which was inhibited after preincubation with 1,2-bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid acetoxymethyl ester but unaffected after preincubation with glutamate transport inhibitors dihydrokainate and DL-threo-beta-benzyloxyaspartate. NH4+/NH3 (5 mM) also induced a transient intracellular alkaline shift. To investigate whether the effects of NH4+/NH3 were mediated by an increase in pH(i), we applied trimethylamine (TMA+/TMA) as another weak base. TMA+/TMA (5 mM) induced a similar transient increase in both pH(i) and [Ca2+]i (mobilization from intracellular calcium stores) and resulted in calcium-dependent release of glutamate. These results indicate that an acute exposure to ammonia, resulting in cytosolic alkalinization, leads to calcium-dependent glutamate release from astrocytes. A deregulation of glutamate release from astrocytes by ammonia could contribute to glutamate dysfunction consistently observed in acute HE.

Decreased glutamate transporter (GLT-1) expression in frontal cortex of rats with acute liver failure.

It has been suggested that reduced astrocytic uptake of neuronally released glutamate contributes to the pathogenesis of hepatic encephalopathy in acute liver failure. In order to further address this issue, the recently cloned and sequenced astrocytic glutamate transporter GLT-1 was studied in brain preparations from rats with ischemic liver failure induced by portacaval anastomosis followed 24 h later by hepatic artery ligation and from appropriate sham-operated controls. GLT-1 expression was studied using reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR). Expression of GLT-1 transcript was significantly decreased in frontal cortex at coma stages of acute liver failure. Western blotting using a polyclonal antibody to GLT-1 revealed a concomitant decrease in expression of transporter protein in the brains of rats with acute liver failure. Reduced capacity of astrocytes to reuptake neuronally released glutamate, resulting from a GLT-1 transporter deficit and the consequently compromised neuron-astrocytic trafficking of glutamate could contribute to the pathogenesis of hepatic encephalopathy and brain edema, two major complications of acute liver failure.

Rôles physiologiques du transporteur vésiculaire du glutamate VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques

Des travaux récents démontrent que certains neurones dopaminergiques du mésencéphale ont la capacité de libérer du glutamate en plus de la dopamine (DA). Ce phénomène de « co-transmission » requiert l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate de type 2 (VGLUT2) dans les neurones dopaminergiques. Certaines observations montrent que l’expression de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques survient tôt durant leur développement et est essentiellement limitée aux neurones de l’aire tegmentaire ventrale (VTA). De plus, cette libération de glutamate se retrouve principalement au niveau des terminaisons de ces neurones dans le striatum ventral, mais pas dans le striatum dorsal. Ces données suggèrent d’une part un rôle développemental possible du glutamate dans les neurones dopaminergiques, et d’autre part, que les signaux dérivés des neurones cibles puissent réguler le double phénotype des neurones dopaminergiques menant ainsi à une plasticité phénotypique. Par ailleurs, il est toujours inconnu si cette libération de glutamate se fait à partir des terminaisons qui relâchent la DA ou à partir de terminaisons axonales distinctes. De plus, le rôle physiologique de ce surprenant phénomène de co-transmission reste également inconnu. Ainsi, dans cette étude, nous avons d’abord démontré in vitro et in vivo que l’expression de VGLUT2 est nécessaire pour la survie et la croissance d’une sous-population de neurones dopaminergiques. En utilisant une lignée de souris ayant une délétion génique spécifique de VGLUT2 dans les neurones dopaminergiques, nous avons observé une diminution du nombre de terminaisons dopaminergiques et glutamatergiques dans le striatum, une baisse de libération de DA dans le striatum ventral, une diminution de la coordination motrice ainsi qu’une diminution de l’activité locomotrice induite par les drogues d’abus. D’autre part, nous avons démontré in vitro et in vivo que les neurones dopaminergiques au double phénotype établissent des terminaisons distinctes afin de relâcher le glutamate et la DA. De plus, nous démontrons que ce phénomène de ségrégation des sites de libération semble être induit par une interaction avec les neurones du striatum ventral. Ces travaux démontrent le rôle physiologique déterminant de la co-transmission DA-glutamate pour l’homéostasie du système DAergique et dévoile une caractéristique fondamentale de l’établissement des terminaisons axonales de ces neurones. Ces travaux permettent ainsi de mieux comprendre les rôles physiologiques de la co-libération de glutamate par les neurones du système nerveux central et présentent une nouvelle perspective sur les dysfonctions potentielles de ces neurones dans les maladies du cerveau.

Brain Glutamate Dehydrogenase Changes In Streptozotocin Diabetic Rats As A Function Of Age

Kinetic parameters of brain glutamate dehydrogenase (GDH) were compared in the brain stem, cerebellum and cerebral cortex of three weeks and one year old streptozotocin (STZ) induced four day diabetic rats with respective controls. A single intrafemoral dose of STZ (60mg/Kg body weight) was administered to induce diabetes in both age groups. After four days the blood glucose levels showed a significant increase in the diabetic animals of both age groups compared with the respective controls. The increase in blood glucose was significant in one year old compared to the three weeks old diabetic rats. The Vmm of the enzyme was decreased in all the brain regions studied, of the three weeks old diabetic rats without any significant change in the Km. In the adult the Vmax of GDH was increased in cerebellum and brain stem but was unchanged in the cerebral cortex. The K. was unchanged in cerebellum and cerebral cortex but was increased in the brain stem. These results suggest there may be an important regulatory role of the glutamate pathway in brain neural network disturbances and neuronal degeneration in diabetes as a function of age.

Glutamate Receptor Gene Expression: IP3, cAMP, cGMP Functional Regulation in Hypoglycaemic and Diabetic Rats

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Serotonin- 5-HT2A and Glutamate Receptors Gene Expression in Streptozotocin induced diabetic rats:Effects of pyridoxine and Aegle marmelose leaf extract

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Bone marrow cells differentiation to neurons in the rat brain using Serotonin and GABA:Their role on glutamate receptors, IP3, cAMP and cGMP functional regulation in unilateral Parkinsonism induced by 6-hydroxydopamine

Parkinson's disease is a chronic progressive neurodegenerative movement disorder characterized by a profound and selective loss of nigrostriatal dopaminergic neurons. Our findings demonstrated that glutamatergic system is impaired during PD. The evaluations of these damages have important implications in understanding the molecular mechanism underlying motor, cognitive and memory deficits in PD. Our results showed a significant increase of glutamate content in the brain regions of 6- OHDA infused rat compared to control. This increased glutamate content caused an increase in glutamatergic and NMDA receptors function. Glutamate receptor subtypes- NMDAR1, NMDA2B and mGluR5 have differential regulatory role in different brain regions during PD. The second messenger studies confirmed that the changes in the receptor levels alter the IP3, cAMP and cGMP content. The alteration in the second messengers level increased the expression of pro-apoptotic factors - Bax and TNF-α, intercellular protein - α-synuclein and reduced the expression of transcription factor - CREB. These neurofunctional variations are the key contributors to motor and cognitive abnormalities associated with PD. Nestin and GFAP expression study confirmed that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of the BMC to neurons and glial cells in the SNpc of rats. We also observed that activated astrocytes are playing a crucial role in the proliferation of transplanted BMC which makes them significant for stem cell-based therapy. Our molecular and behavioural results showed that 5-HT and GABA along with BMC potentiates a restorative effect by reversing the alterations in glutamate receptor binding, gene expression and behaviour abnormality that occur during PD. The therapeutic significance in Parkinson’s disease is of prominence.