Distribution of NMDA and AMPA receptor subunits at thalamo-amygdaloid dendritic spines

Synapses onto dendritic spines in the lateral amygdala formed by afferents from the auditory thalamus represent a site of plasticity in Pavlovian fear conditioning. Previous work has demonstrated that thalamic afferents synapse onto LA spines expressing glutamate receptor (GluR) subunits, but the GluR subunit distribution at the synapse and within the cytoplasm has not been characterized. Therefore, we performed a quantitative analysis for α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate (AMPA) receptor subunits GluR2 and GluR3 and N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor subunits NR1 and NR2B by combining anterograde labeling of thalamo-amygdaloid afferents with postembedding immunoelectron microscopy for the GluRs in adult rats. A high percentage of thalamo- amygdaloid spines was immunoreactive for GluR2 (80%), GluR3 (83%), and NR1 (83%), while a smaller proportion of spines expressed NR2B (59%). To compare across the various subunits, the cytoplasmic to synaptic ratios of GluRs were measured within thalamo-amygdaloid spines. Analyses revealed that the cytoplasmic pool of GluR2 receptors was twice as large compared to the GluR3, NR1, and NR2B subunits. Our data also show that in the adult brain, the NR2B subunit is expressed in the majority of in thalamo-amygdaloid spines and that within these spines, the various GluRs are differentially distributed between synaptic and non-synaptic sites. The prevalence of the NR2B subunit in thalamo-amygdaloid spines provides morphological evidence supporting its role in the fear conditioning circuit while the differential distribution of the GluR subtypes may reflect distinct roles for their involvement in this circuitry and synaptic plasticity.

GABAA and NMDA receptors contribute to synaptic integration in lateral amygdala neurons

In classical fear conditioning a neutral conditioned stimulus (CS), is paired with an aversive unconditioned stimulus (US). The CS thereby acquires the capacity to elicit a fear response. This type of associative learning is thought to require co-activation of principal neurons in the lateral nucleus of the amygdala (LA) by two sets of synaptic inputs...

Calcium/Calmodulin Dependent Protein Kinase II Bound to NMDA Receptor 2B Subunit Exhibits Increased ATP Affinity and Attenuated Dephosphorylation

Calcium/calmodulin dependent protein kinase II (CaMKII) is implicated to play a key role in learning and memory. NR2B subunit of N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) is a high affinity binding partner of CaMKII at the postsynaptic membrane. NR2B binds to the T-site of CaMKII and modulates its catalysis. By direct measurement using isothermal titration calorimetry (ITC), we show that NR2B binding causes about 11 fold increase in the affinity of CaMKII for ATP gamma S, an analogue of ATP. ITC data is also consistent with an ordered binding mechanism for CaMKII with ATP binding the catalytic site first followed by peptide substrate. We also show that dephosphorylation of phospho-Thr(286)-alpha-CaMKII is attenuated when NR2B is bound to CaMKII. This favors the persistence of Thr(286) autophosphorylated state of CaMKII in a CaMKII/phosphatase conjugate system in vitro. Overall our data indicate that the NR2B- bound state of CaMKII attains unique biochemical properties which could help in the efficient functioning of the proposed molecular switch supporting synaptic memory.

NMDA modulates oligodendrocyte differentiation of subventricular zone cells through PKC activation

7 p.

Inibição do receptor de glutamato do tipo NMDA em um modelo de hipóxia-isquemia prenatal: avaliação morfofuncional do cerebelo

Lesões sistêmicas peri e pré-natais alteram o desenvolvimento do SNC, levando a problemas cognitivos e motores em crianças que podem perdurar por toda a vida. Um tipo particular de lesão é a hipóxia-isquemia (HI), caracterizada pela interrupção momentânea ou permanente do fluxo sanguíneo. Um dos mecanismos propostos para as lesões decorrentes da HI é a excitotoxicidade glutamatérgica. O uso de inibidores da neurotransmissão glutamatérgica tem sido estudados em diversos modelos de HI. Neste trabalho, avaliamos os efeitos morfofuncionais da administração de um antagonista não-competitivo do receptor de glutamato NMDA sobre o desenvolvimento do cerebelo. Ratas no 18 dia de gestação foram anestesiadas, os cornos uterinos expostos e as 4 artérias uterinas obstruídas por 45 minutos (Grupo H). Animais controle tiveram os úteros expostos, sem a obstrução (Grupo S). Após a cirurgia a gestação prosseguiu. Somente animais nascidos a termo foram utilizados. Um dia após o nascimento, metade de cada ninhada foi designada para receber MK801, 0,3mg/kg/dia, (grupos SM e HM) e a outra metade recebeu solução salina (grupos SS e HS), por 5 dias. Após anestesia e perfusão-fixação com paraformaldeído 4% aos 9, 23, 30 e 60 dias pós-natais, cortes parassagitais do cerebelo foram obtidos em criótomo e submetidos à imunohistoquímica para calbindina, GFAP, GLAST, PDGFRα e MBP. A partir de 45 dias de vida, os animais foram testados em vários de testes comportamentais: labirinto em cruz elevado (LCE), campo vazado (CV), ROTAROD, teste de caminhada sobre barras (ladder test) e teste do comprimento da passada (stride length). Aos 9 dias, a espessura da árvore dendrítica era menor nos animais SM, HS/HM, demonstrando efeitos deletérios tanto do MK801 quanto da HI. Menor número de células PDGFRα+ foi observado nos animais HS/HM, sem efeitos da administração de MK801. Aos 23 dias, maior número de células PDGFRα+ foi observado nos animais HM comparado aos outros 3 grupos, indicando efeito neuroprotetor do MK801. Nessa idade, menor número de fibras mielinizadas (MBP+) foi observada nos animais HS, e a administração de MK801 parece reverter estes efeitos. Aos 9 dias a distribuição de GLAST estava alterada nos animais HS, com os efeitos da HI parcialmente revertidos pelo MK801. Não foram observados efeitos da HI ou do MK801 sobre comportamentos relacionados a ansiedade pelo LCE, assim como na latência de queda no ROTAROD. HI piora a performance motora no ladder test. No teste do CV, não observamos efeitos da HI sobre a busca por novidade assim como sobre a atividade locomotora espontânea. No entanto, MK801 diminui comportamentos de autolimpeza e a atividade locomotora espontânea. Menor variação das passadas foi observada em decorrência da administração de MK801 no stride length, com nenhum efeito da HI. Nossos resultados demonstram que a inibição do receptor NMDA tem um efeito neuroprotetor sobre os progenitores de oligodendrócitos e mielinização, provavelmente pela manutenção da capacidade proliferativa por um período maior. A atividade do receptor NMDA exerce importante papel na diferenciação das células de Purkinje, assim como na distribuição do transportador GLAST, corroborando a importância deste receptor na gênese das lesões causadas pela HI.

Papel do bloqueio dos receptores NMDA e da ativação dos receptores GABAA na manifestação dos déficits neurocomportamentais decorrentes da exposição ao etanol durante o período equivalente ao terceiro trimestre de gestação

A exposição gestacional ao etanol produz um amplo espectro de defeitos neurocomportamentais que podem persistir ao longo da vida. Dentre os distúrbios mais comumente observados estão o transtorno do déficit de atenção e hiperatividade (TDAH) e os déficits de aprendizado e memória. Apesar da grande quantidade de estudos, os mecanismos envolvidos com a manifestação destes transtornos permanecem pouco conhecidos. Estudos em roedores vêm demonstrando que o período equivalente ao terceiro trimestre de gestação é critico para o aparecimento destas alterações comportamentais. Durante este período, que é caracterizado por intensa sinaptogênese, a neurotoxicidade do etanol vem sendo atribuída ao bloqueio dos receptores glutamatérgicos do tipo N-metil-D-aspartato (NMDA) e hiperativação dos receptores do ácido gama-aminobutírico do subtipo A (GABAA). Tendo em vista que ao longo do desenvolvimento estes receptores diferem em relação a função e distribuição espaço-temporal, neste estudo avaliamos a contribuição relativa do bloqueio dos receptores NMDA e hiperativação dos receptores GABAA durante o período equivalente ao terceiro trimestre de gestação para a manifestação da hiperatividade locomotora e para os distúrbios de aprendizado e memória de camundongos pré-púberes. Para tanto, este estudo foi realizado em duas etapas. Na primeira, investigamos os efeitos da exposição isolada ao bloqueador NMDA MK801 (MK) e ao agonista GABAA muscimol (MU). Para tanto, em dias alternados do segundo dia pós-natal (PN2) a PN8, os animais receberam uma injeção intraperitoneal de Salina (SAL), MK nas doses de 0,1, 0,3 ou 0,5 mg/kg ou de MU nas doses de 0,1 0,3 ou 0,5 mg/kg. Na segunda etapa investigamos os efeitos da administração simultânea de MK (0,1mg/kg) e MU (doses 0,02, 0,1 ou 0,5 mg/kg). Em PN25, a atividade locomotora foi automaticamente avaliada por 15 min no teste de campo aberto. Em PN31 e PN32, o aprendizado e memória foi avaliado no teste da esquiva passiva inibitória. Em relação aos resultados da exposição isolada a cada uma das drogas, apenas o tratamento com MK promoveu um aumento dose dependente na atividade locomotora. No teste da esquiva passiva inibitória, os animais expostos as maiores doses de MK e MU apresentaram déficits de aprendizado e memória. Em relação aos resultados da exposição combinada de MK e MU, não foram observadas diferenças significativas entre os grupos na atividade locomotora. Na esquiva passiva inibitória, a administração simultânea de MK e MU, em doses que administradas isoladamente não tiveram efeito, promoveu prejuízos de aprendizado e memória. Nossos resultados sugerem que, enquanto a hiperatividade locomotora está associada apenas com o bloqueio dos receptores NMDA, os déficits de aprendizado e memória podem ser produto de uma ação sinergista do etanol nos dois receptores.

NMDA受体NR1亚单位基因与精神分裂症的连锁分析

目的 了解N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体NR1亚单位基因与精神分裂症的连锁关系.方法 选取NR1亚单位基因所在区域的2个微卫星标记D9s1838和D9s1826,对94个符合美国精神障碍诊断与统计手册第4版精神分裂症诊断标准(DSM-Ⅳ)的中国汉族精神分裂症受累同胞对及家系成员共376个个体作基因分型,其中男性194名,女性182名.采用美国国立精神卫生研究所(NIMH)制订的《遗传研究诊断问卷》(DIGS),对家系成员躯体和精神状况进行评定;采用NIMH制订的《遗传研究家族问卷》(FIGS)了解家系结构.选用GENEHUNTER 2.1软件对分型资料进行非参数连锁分析.结果 两点、多点非参数分析最大LOD值均位于D9s1826,分别为1.70(P=0.050),2.08(P=0.015),两者均大于验证性连锁阈值1.2.结论 NR1基因区域微卫星标记与精神分裂症存在验证性连锁关系,提示NR1基因可能为精神分裂症的易感基因之一.

Coupling between NMDA receptor and acid-sensing ion channel contributes to ischemic neuronal death

Acid-sensing ion channels (ASICs) composed of ASIC1a subunit exhibit a high Ca2+ permeability and play important roles in synaptic plasticity and acid-induced cell death. Here, we show that ischemia enhances ASIC currents through the phosphorylation at Ser478 and Ser479 of ASIC1a, leading to exacerbated ischemic cell death. The phosphorylation is catalyzed by Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) activity, as a result of activation of NR2B-containing N-methyl-D-aspartate subtype of glutamate receptors (NMDARs) during ischemia. Furthermore, NR2B-specific antagonist, CaMKII inhibitor, or overexpression of mutated form of ASIC1a with Ser478 or Ser479 replaced by alanine (ASICla-S478A, ASIC1a-S479A) in cultured hippocampal neurons prevented ischemia-induced enhancement of ASIC currents, cytoplasmic Ca2+ elevation, as well as neuronal death. Thus, NMDAR-CaMKII cascade is functionally coupled to ASICs and contributes to acidotoxicity during ischemia. Specific blockade of NMDAR/CaMKII-ASIC coupling may reduce neuronal death after ischemia and other pathological conditions involving excessive glutamate release and acidosis.

Molecular modeling of N-terminal domains of NMDA-receptor. Study of ligand binding with N-terminal domains

Using the molecular-graphic complex Sybyl6.7.2, computational construction of spatial models for N-terminal domains (of NR1- and NR2B-subunits) of NMDA-receptor was conducted. On the basis of the constructed models and also CoMFA method the conclusion is made about presence of the binding site for the compounds similar to iphenprodyl in two N-terminal domains of NR1- and NR2B-subunits. The obtained data can be used for constructing new ligands.

Selectivity fields: comparative molecular field analysis (CoMFA) of the glycine/NMDA and AMPA receptors

An approach for evaluation of binding selectivity was suggested and exemplified using glycine/NMDA and AMPA receptors. For analyzing the pairwise selectivity, we propose to use the difference between biological activities (expressed as -log Ki) of ligands with respect to different receptor subtypes as a dependent variable for building comparative molecular field analysis (CoMFA) models. The resulting fields (which will be referred to as the "selectivity fields") indicate the ways of increasing selectivity of binding, inhibition, etc. As an example, CoMFA of a set of pyrazolo[1,5-c]quinazolines and triazolo[1,5-c]quinazolines was used for considering the binding selectivity with respect to glycine/NMDA and AMPA receptors. In addition, the mapping of these fields onto the molecular models of the corresponding receptors makes it possible to reveal the reasons for experimentally observed selectivity as well as to suggest additional ways of increasing selectivity.

Structural basis for understanding structure-activity relationships for the glutamate binding site of the NMDA receptor

We present new homology-based models of the glutamate binding site (in closed and open forms) of the NMDA receptor NR2B subunit derived from X-ray structures of the water soluble AMPA sensitive glutamate receptor. The models were used for revealing binding modes of agonists and competitive antagonists, as well as for rationalizing known experimental facts concerning structure-activity relationships: (i) the switching between the agonist and the antagonist modes of action upon lengthening the chain between the distal acidic group and the amino acid moiety, (ii) the preference for the methyl group attached to the a-amino group of ligands, (iii) the preference for the D-configuration of agonists and antagonists, and (iv) the existence of "superacidic" agonists.