Expression of functional GABAc receptors in the brain

γ-aminobutyric acid (GABA) is the main inhibitory transmitter in the nervous system and acts via three distinct receptor classes: A, B, and C. GABAC receptors are ionotropic receptors comprising ρ subunits. In this work, we aimed to elucidate the expression of ρ subunits in the postnatal brain, the characteristics of ρ2 homo-oligomeric receptors, and the function of GABAC receptors in the hippocampus. In situ hybridization on rat brain slices showed ρ2 mRNA expression from the newborn in the superficial grey layer of the superior colliculus, from the first postnatal week in the hippocampal CA1 region and the pretectal nucleus of the optic tract, and in the adult dorsal lateral geniculate nucleus. Quantitative RT-PCR revealed expression of all three ρ subunits in the hippocampus and superior colliculus from the first postnatal day. In the hippocampus, ρ2 mRNA expression clearly dominated over ρ1 and ρ3. GABAC receptor protein expression was confirmed in the adult hippocampus, superior colliculus, and dorsal lateral geniculate nucleus by immunohistochemistry. From the selective distribution of ρ subunits, GABAC receptors may be hypothesized to be specifically involved in aspects of visual image motion processing in the rat brain. Although previous data had indicated a much higher expression level for ρ2 subunit transcripts than for ρ1 or ρ3 in the brain, previous work done on Xenopus oocytes had suggested that rat ρ2 subunits do not form functional homo-oligomeric GABAC receptors but need ρ1 or ρ3 subunits to form hetero-oligomers. Our results demonstrated, for the first time, that HEK 293 cells transfected with ρ2 cDNA displayed currents in whole-cell patch-clamp recordings. Homomeric rat ρ2 receptors had a decreased sensitivity to, but a high affinity for picrotoxin and a marked sensitivity to the GABAC receptor agonist CACA. Our results suggest that ρ2 subunits may contribute to brain function, also in areas not expressing other ρ subunits. Using extracellular electrophysiological recordings, we aimed to study the effects of the GABAC receptor agonists and antagonists on responses of the hippocampal neurons to electrical stimulation. Activation of GABAC receptors with CACA suppressed postsynaptic excitability and the GABAC receptor antagonist TPMPA inhibited the effects of CACA. Next, we aimed to display the activation of the GABAC receptors by synaptically released GABA using intracellular recordings. GABA-mediated long-lasting depolarizing responses evoked by high-frequency stimulation were prolonged by TPMPA. For weaker stimulation, the effect of TPMPA was enhanced after GABA uptake was inhibited. Our data demonstrate that GABAC receptors can be activated by endogenous synaptic transmitter release following strong stimulation or under conditions of reduced GABA uptake. The lack of GABAC receptor activation by less intensive stimulation under control conditions suggests that these receptors are extrasynaptic and activated via spillover of synaptically released GABA. Taken together with the restricted expression pattern of GABAC receptors in the brain and their distinctive pharmacological and biophysical properties, our findings supporting extrasynaptic localization of these receptors raise interesting possibilities for novel pharmacological therapies in the treatment of, for example, epilepsy and sleep disorders.

Growth differentiation factor 9 signalling in the ovary

In the ovary, two new members of the large TGF-beta superfamily of growth factors were discovered in the 1990s. The oocyte was shown to express two closely related growth factors that were named growth differentiation factor 9 (GDF-9) and growth differentiation factor 9B (GDF-9B). Both of these proteins are required for normal ovarian follicle development although their individual significance varies between species. GDF-9 and GDF-9B mRNAs are expressed in the human oocytes from the primary follicle stage onwards. This thesis project was aimed to define the signalling mechanisms utilized by the oocyte secreted GDF-9. We used primary cultures of human granulosa luteal cells (hGL) as our cell model, and recombinant adenovirus-mediated gene transfer in manipulating the TGF-b family signalling cascade molecules in these cells. Overexpression of the constitutively active forms of the seven type I receptors, the activin receptor-like kinases 1-7 (ALK1-7), using recombinant adenoviruses caused a specific activation of either the Smad1 or Smad2 pathway proteins depending on the ALK used. Activation of both Smad1 and Smad2 proteins also stimulated the expression of dimeric inhibin B protein in hGL cells. Treatment with recombinant GDF-9 protein induced the specific activation of the Smad2 pathway and stimulated the expression of inhibin betaB subunit mRNA as well as inhibin B protein secretion in our cell model. Recombinant GDF-9 also activated the Smad3-responsive CAGA-luciferase reported construct, and the GDF-9 response in hGL cells was markedly potentiated upon the overexpression of Alk5 by adenoviral gene transduction. Alk5 overexpression also enhanced the GDF-9 induced inhibin B secretion by these cells. Similarly, in a mouse teratocarcinoma cell line P19, GDF-9 could activate the Smad2/3 pathway, and overexpression of ALK5 in COS7 cells rendered them responsive to GDF-9. Furthermore, transfection of rat granulosa cells with small interfering RNA for ALK5 or overexpression of the inhibitory Smad7 resulted in dose-dependent suppression of GDF-9 effects. In conclusion, this thesis shows that both Smad1 and Smad2 pathways are involved in controlling the regulation of inhibin B secretion. Therefore, in addition to endocrine control of inhibin production by the pituitary gonadotropins, also local paracrine factors within in the ovary, like the oocyte-derived growth factors, may contribute to controlling inhibin secretion. This thesis shows as well that like other TGF-beta family ligands, also GDF-9 signalling is mediated by the canonical type I and type II receptors with serine/threonine kinase activity, and the intracellular transcription factors, the Smads. Although GDF-9 binds to the BMP type II receptor, its downstream actions are specifically mediated by the type I receptor, ALK5, and the Smad2 and Smad3 proteins.

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.