Trafficking and ethanol-induced inhibition of AMPA receptors

AMPA receptors are an important class of ionotropic glutamate receptors which participate in fast excitatory synaptic transmission in most brain areas. They have a pivotal role in adjustment of cell membrane excitability as their cell membrane expression levels is altered in brain physiology such as in learning and memory formation. AMPA receptor function and trafficking is regulated by several proteins, such as transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs). NMDA-type glutamate receptors are important target molecules of ethanol. The role of AMPA receptors in the actions of ethanol has not been clarified as thoroughly. Furthermore, the regulation of AMPA receptor synthesis and their possible adaptation in neurons with altered inhibitory mechanisms are poorly understood. In this thesis work AMPA receptor pharmacology, trafficking and synaptic localization was studied using patch-clamp electrophysiology. Both native and recombinant AMPA receptors were studied. Hippocampal slices from transgenic Thy1alfa6 mice with altered inhibition were used to study adaptation of AMPA receptors. Ethanol was found to inhibit AMPA receptor function by increasing desensitization of the receptor, as the steady-state current was inhibited more than the peak current. Ethanol inhibition was reduced when cyclothiazide was used to block desensitization and when non-desensitizing mutant receptors were studied. Ethanol also increased the rate of desensitization, which was increased further by the coexpression of TARP-proteins. We found that the agonist binding capability is important for trafficking AMPA receptors from endoplasmic reticulum to the cell membrane. TARP rescues the surface expression of non-binding AMPA receptor mutants in HEK293 cells, but not in native neurons. Studies with Thy1alfa6 mice revealed that decreased inhibition decrease AMPA receptor mediated excitation keeping the neurotransmission in balance. Thy1alfa6 mice also had lower sensitivity to electroshock convulsions, presumably due to the decreased AMPA receptor function. The results suggest that during alcohol intoxication ethanol may inhibit AMPA receptors by increasing the rate and the extent of desensitization. TARPs appear to enhance ethanol inhibition. TARPs also participate in trafficking of AMPA receptors upon their synthesis in the cell. AMPA receptors mediate also long-term adaptation to altered neuronal excitability, which adds to their well-known role in synaptic plasticity.

Nikotiinireseptoreiden kautta vaikuttavat lääkeaineet nikotiiniriippuvuuden ja neurologisten sairauksien hoidossa

Neuronaaliset nikotiinireseptorit liittyvät tupakkariippuvuuden lisäksi moniin neurologisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, skitsofreniaan, masennukseen ja tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriöön. Nikotiinireseptorien stimulaation on tutkimuksissa havaittu parantavan kognitiota. Useat lääkeyritykset tutkivat nikotiinireseptoriagonisteja ja -antagonisteja eri neurologisten sairauksien hoidossa. Ongelmana nikotiinireseptori-agonisteja käytettäessä on reseptorissa tapahtuva desensitisaatio. Tällöin reseptori sulkeutuu, eikä aktivoidu vaikka agonistia olisi tarjolla tai sitoutuneena reseptoriin. Varsinkin alfa7-reseptori desensitoituu hyvin nopeasti agonistialtistuksen seurauksena. Reseptorien desensitoituminen voi kliinisessä käytössä aiheuttaa lääkeaineen tehon menetyksen. Perinteisen agonistin sitoutumiskohdan lisäksi nikotiinireseptorissa sijaitsee myös muita sitoutumiskohtia, joita kutsutaan allosteerisiksi sitoutumispaikoiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että eräät allosteerisesti sitoutuvat aineet, kuten PNU-120596, voivat vahvistaa agonistin aikaansaamaa vastetta ja/tai estää reseptorin desensitoitumista. Näitä aineita kutsutaan positiivisiksi allosteerisiksi modulaattoreiksi ja niiden ajatellaan olevan vaihtoehto desensitoitumisen aiheuttamaan tehon menetyksen ongelmaan. Nikotiinireseptorien positiivisten allosteeristen modulaattorien tarkkaa vaikutusta ja sitoutumiskohtaa reseptoriin ei vielä tarkkaan tiedetä. Tutkimuksen aiheena oli karakterisoida positiivisten allosteeristen modulaattoreiden vaikutuksia alfa7-nikotiinireseptoriin. Tutkimuksessa tarkoituksena oli käyttää hyväksi laboratoriossa aiemmin tehtyä havaintoa, jonka mukaan alfa7-nikotiinireseptorin transmembraaniosan aminohappoon tehdyn mutaation L247T seurauksena positiiviset allosteeriset modulaattorit muuttuvat agonisteiksi. Haluttiin selvittää, kuinka agonistin sitoutumiskohtaan kohdennettua mutageneesiä käyttäen tehty mutaatio W149M tai W149F vaikuttavat PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T reseptoriin. Asetyylikoliini toimi konventionaalisen agonistin mallina tutkimuksessa. Tutkimuksen toinen tavoite oli tehdä mutaatio M253Lalfa7-reseptorin transmembraaniosaan. Mutaation on todettu estävän allosteeristen potentiaattoreiden kykyä voimistaa agonistin aikaansaamaa vastetta. Tarkoitus oli tutkia millaisia vaikutuksia M253L-mutaatiolla on allosteerisen potentiaattorin kykyyn toimia agonistina L247T-mutaation sisältävään reseptoriin. Mutatoidun reseptorin mRNA mikroinjektoitiin oosyyttiin ja elektrofysiologian avulla tutkittiin ilmennettyjen reseptorien toimintaa käyttäen kahden elektrodin jännitelukitus -menetelmää. Kaikki suunnitellut mutaatiot saatiin tehtyä onnistuneesti alfa7- ja alfa7L247T-reseptoreihin. Ortosteerisen sitoutumiskohdan mutaatio villin tyypin Į7-reseptorissa vaikutti hyvin voimakkaasti joko asetyylikoliinin sitoutumiseen reseptoriin tai reseptorin toimintaan, sillä asetyylikoliinilla ei reseptorista saatu mitattua vasteita. Myöskään PNU-120596 yksinään ei saanut aikaan vasteita alfa7W149M-reseptorissa. Kaksoismutatoidussa alfa7W149M/L247T-reseptorissa puolestaan havaittiin, että asetyylikoliinin annos-vaste -kuvaaja siirtyi huomattavasti enemmän oikealle kuin PNU-120596:n, kun verrattiin annos-vaste –kuvaajia alfa7L247T ja alfa7W149M/L247T–reseptoreiden välillä. Transmembraaniosan mutaatio M253L ei vaikuttanut PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T-reseptoriin, eikä sillä ollut vaikutusta asetyylikoliinin annosvaste-kuvaajiin. Tutkimus tukee aiempia havaintoja siitä, että positiivisten allosteeristen modulaattoreiden sitoutumiskohta nikotiinireseptorissa sijaitsisi transmembraaniosassa. M253L-mutaation osalta tulokset ovat hieman ristiriidassa aiempien tulosten kanssa. L247T-mutaatio vaikuttaa hyvin voimakkaasti nikotiinireseptorin toimintaan sekä sijaitsee aminohapon M253 läheisyydessä. On mahdollista, että se peittää M253L-mutaation vaikutuksen. Toisaalta voi olla, että M253 on aminohappo, joka vaikuttaa vain reseptorivasteiden voimistumiseen eikä allosteeristen potentiaattoreiden sitoutumiseen.

A new method for modulating the activity of parvalbumin-positive neurons and cerebellar Purkinje cells in vivo

Neurons can be divided into various classes according to their location, morphology, neurochemical identity and electrical properties. They form complex interconnected networks with precise roles for each cell type. GABAergic neurons expressing the calcium-binding protein parvalbumin (Pv) are mainly interneurons, which serve a coordinating function. Pv-cells modulate the activity of principal cells with high temporal precision. Abnormalities of Pv-interneuron activity in cortical areas have been linked to neuropsychiatric illnesses such as schizophrenia. Cerebellar Purkinje cells are known to be central to motor learning. They are the sole output from the layered cerebellar cortex to deep cerebellar nuclei. There are still many open questions about the precise role of Pv-neurons and Purkinje cells, many of which could be answered if one could achieve rapid, reversible cell-type specific modulation of the activity of these neurons and observe the subsequent changes at the whole-animal level. The aim of these studies was to develop a novel method for the modulation of Pv-neurons and Purkinje cells in vivo and to use this method to investigate the significance of inhibition in these neuronal types with a variety of behavioral experiments in addition to tissue autoradiography, electrophysiology and immunohistochemistry. The GABA(A) receptor γ2 subunit was ablated from Pv-neurons and Purkinje cells in four separate mouse lines. Pv-Δγ2 mice had wide-ranging behavioral alterations and increased GABA-insensitive binding indicative of an altered GABA(A) receptor composition, particularly in midbrain areas. PC-Δγ2 mice experienced little or no motor impairment despite the lack of inhibition in Purkinje cells. In Pv-Δγ2-partial rescue mice, a reversal of motor and cognitive deficits was observed in addition to restoration of the wild-type γ2F77 subunit to the reticular nucleus of thalamus and the cerebellar molecular layer. In PC-Δγ2-swap mice, zolpidem sensitivity was restored to Purkinje cells and the administration of systemic zolpidem evoked a transient motor impairment. On the basis of these results, it is concluded that this new method of cell-type specific modulation is a feasible way to modulate the activity of selected neuronal types. The importance of Purkinje cells to motor control supports previous studies, and the crucial involvement of Pv-neurons in a range of behavioral modalities is confirmed.