Calcium homeostasis in the central nervous system: adaptation to neurodegeneration.

Here we review the results of our recent studies on neurodegeneration together with data on cerebral calcium precipitation in animal models and humans. A model that integrates the diversity of mechanisms involved in neurodegeneration is presented and discussed based on the functional relevance of calcium precipitation.

On the existence and function of galanin receptor heteromers in the central nervous system

Galanin receptor (GalR) subtypes 1-3 linked to central galanin neurons may form heteromers with each other and other types of G protein-coupled receptors in the central nervous system (CNS). These heteromers may be one molecular mechanism for galanin peptides and their N-terminal fragments (gal 1-15) to modulate the function of different types of glia-neuronal networks in the CNS, especially the emotional and the cardiovascular networks. GalR-5-HT1A heteromers likely exist with antagonistic GalR-5-HT1A receptor-receptor interactions in the ascending midbrain raphe 5-HT neuron systems and their target regions. They represent a novel target for antidepressant drugs. Evidence is given for the existence of GalR1-5-HT1A heteromers in cellular models with trans-inhibition of the protomer signaling. A GalR1-GalR2 heteromer is proposed to be a galanin N-terminal fragment preferring receptor (1-15) in the CNS. Furthermore, a GalR1-GalR2-5-HT1A heterotrimer is postulated to explain why only galanin (1-15) but not galanin (1-29) can antagonistically modulate the 5-HT1A receptors in the dorsal hippocampus rich in gal fragment binding sites. The results underline a putative role of different types of GalR-5-HT1A heteroreceptor complexes in depression. GalR antagonists may also have therapeutic actions in depression by blocking the antagonistic GalR-NPYY1 receptor interactions in putative GalR-NPYY1 receptor heteromers in the CNS resulting in increases in NPYY1 transmission and antidepressant effects. In contrast the galanin fragment receptor (a postulated GalR1-GalR2 heteromer) appears to be linked to the NPYY2 receptor enhancing the affinity of the NPYY2 binding sites in a putative GalR1-GalR2-NPYY2 heterotrimer. Finally, putative GalR-α2-adrenoreceptor heteromers with antagonistic receptor-receptor interactions may be a widespread mechanism in the CNS for integration of galanin and noradrenaline signals also of likely relevance for depression

Pleiotrophin as a central nervous system neuromodulator, evidences from the hippocampus

Pleiotrophin (PTN) is a secreted growth factor, and also a cytokine, associated with the extracellular matrix, which has recently starting to attract attention as a significant neuromodulator with multiple neuronal functions during development. PTN is expressed in several tissues, where its signals are generally related with cell proliferation, growth, and differentiation by acting through different receptors. In Central Nervous System (CNS), PTN exerts post-developmental neurotrophic and -protective effects, and additionally has been involved in neurodegenerative diseases and neural disorders. Studies in Drosophila shed light on some aspects of the different levels of regulatory control of PTN invertebrate homologs. Specifically in hippocampus, recent evidence from PTN Knock-out (KO) mice involves PTN functioning in learning and memory. In this paper, we summarize, discuss, and contrast the most recent advances and results that lead to proposing a PTN as a neuromodulatory molecule in the CNS, particularly in hippocampus.

Pleiotrophin as a central nervous system neuromodulator, evidences from the hippocampus

Pleiotrophin (PTN) is a secreted growth factor, and also a cytokine, associated with the extracellular matrix, which has recently starting to attract attention as a significant neuromodulator with multiple neuronal functions during development. PTN is expressed in several tissues, where its signals are generally related with cell proliferation, growth, and differentiation by acting through different receptors. In Central Nervous System (CNS), PTN exerts post-developmental neurotrophic and -protective effects, and additionally has been involved in neurodegenerative diseases and neural disorders. Studies in Drosophila shed light on some aspects of the different levels of regulatory control of PTN invertebrate homologs. Specifically in hippocampus, recent evidence from PTN Knock-out (KO) mice involves PTN functioning in learning and memory. In this paper, we summarize, discuss, and contrast the most recent advances and results that lead to proposing a PTN as a neuromodulatory molecule in the CNS, particularly in hippocampus.

CAV2 vector gene transfer into central nervious System

Estudi realitzat a partir d’una estada al Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier, França, entre 2010 i 2012. En aquest projecte s’ha avaluat les avantatges dels vectors adenovirals canins tipus 2 (CAV2) com a vectors de transferència gènica al sistema nerviós central (SNC) en un model primat no-humà i en un model caní del síndrome de Sly (mucopolisacaridosis tipus 7, MPS VII), malaltia monogènica que cursa amb neurodegeneració. En una primera part del projecte s’ha avaluat la biodistribució, l’eficàcia i la durada de l’expressió del transgen en un model primat no humà, (Microcebus murinus). Com ha vector s’ha utilitzat un CAV2 de primera generació que expressa la proteïna verda fluorescent (CAVGFP). Els resultats aportats en aquesta memòria demostren que en primats no humans, com en d’altres espècies testades anteriorment per l’equip de l’EJ Kremer, la injecció intracerebral de CAV2 resulta en una extensa transducció del SNC, siguent les neurones i els precursors neuronals les cèl•lules preferencialment transduïdes. Els vectors canins, servint-se de vesícules intracel•lulars són transportats, majoritàriament, des de les sinapsis cap al soma neuronal, aquest transport intracel•lular permet una extensa transducció del SNC a partir d’una única injecció intracerebral dels vectors virals. En una segona part d’aquest projecte s’ha avaluat l’ús terapèutic dels CAV2. S’ha injectat un vector helper-dependent que expressa el gen la b-glucuronidasa i el gen de la proteïna verda fluorescent (HD-RIGIE), en el SNC del model caní del síndrome de Sly (MPS VII). La biodistribució i la eficàcia terapèutica han estat avaluades. Els nivells d’activitat enzimàtica en animals malalts injectats amb el vector terapèutic va arribar a valors similars als dels animals no afectes. A més a més s’ha observat una reducció en la quantitat dels GAGs acumulats en les cèl•lules dels animals malalts tractats amb el vector terapèutic, demostrant la potencialitat terapèutica dels CAV2 per a malalties que afecten al SNC. Els resultats aportats en aquest treball ens permeten dir que els CAV2 són unes bones eines terapèutiques per al tractament de malalties que afecten al SNC.

Relevance of death receptors in nervous system: role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases and targets for therapy

L’apoptosi és un procés fisiològic que controla el nombre de cèl·lules en organismes superiors. L’apoptosi està estrictament regulada i s’ha vist que està implicada en la patogènesi d’algunes malalties del sistema nerviós. En aquest sentit, un excés de mort cel·lular contribueix a les malalties neurodegenerati- ves, mentre que, el seu dèficit és una de les raons del desenvolupament de tumors. El punt principal de regulació del procés apoptòtic és l’activació de les caspases, cisteïna-proteases que tenen especificitat pels residus aspàrtic. Les caspases es poden activar per dos mecanismes principals: (1) alliberament de citocrom C dels mitocondris alterats al citoplasma i (2) l’activació dels receptors de la membrana anomenats receptors de mort (DR, de l’anglès death receptor). Aquests receptors s’han caracteritzat extensament en el sistema immunitari, mentre que en el sistema nerviós les seves funcions són encara desconegudes. El present article se centra en el paper dels DR en la patogènesi de malalties neurodegeneratives i suggereix el seu potencial des del punt de vista terapèutic. També es descriuen diverses molècules intracel·lulars caracteritzades per la seva habilitat en la modulació dels DR. Entre elles, presentem dues noves proteïnes – lifeguard i FAIM – que s’expressen específicament al sistema nerviós.

The planarian flatworm: an in vivo model for stem cell biology and nervous system regeneration

Planarian flatworms are an exception among bilaterians in that they possess a large pool of adult stem cells that enables them to promptly regenerate any part of their body, including the brain. Although known for two centuries for their remarkable regenerative capabilities, planarians have only recently emerged as an attractive model for studying regeneration and stem cell biology. This revival is due in part to the availability of a sequenced genome and the development of new technologies, such as RNA interference and next-generation sequencing, which facilitate studies of planarian regeneration at the molecular level. Here, we highlight why planarians are an exciting tool in the study of regeneration and its underlying stem cell biology in vivo, and discuss the potential promises and current limitations of this model organism for stem cell research and regenerative medicine.

El líquid cerebroespinal. Un fluid vital per al sistema nerviós central

Moltes civilitzacions s"han desenvolupat al costat de rius i mars, uns medis fluids que han servit de vehicle de cohesió i transport i que han afavorit la supervivència de les persones que vivien a les seves ribes. Per als egipcis va ser el Nil; per als mesopotamis, el Tigris i l"Eufrates, i per als grecs i fenicis, la Mediterrània. Un dels sistemes dels animals més complexos funcionalment és el nerviós, el qual assoleix l"expressió màxima en els vertebrats, molt especialment en òrgans com el cervell. Sorprenentment, el cervell també s"organitza, des de l"inici embrionari i durant tota la vida adulta, al voltant d"un fluid extraordinàriament dinàmic i complex: el líquid cerebrospinal.

Implicació de la inflamació i la resposta immunitària en la lesió induïda per la isquèmia

El sistema nerviós central (SNC) i el sistema immunitari (SI) estan estretament connectats. Es produeixen nombroses alteracions en el sistema immunitari després de la isquèmia i la inflamació es reconeix com una de les principals causes de la progressió de la lesió isquèmica. És molt important determinar el paper de les diferents cèl•lules implicades en la resposta immunitària i inflamatòria després de la isquèmia i el perfil de citocines que s’alliberen. A partir de l’estudi de les diferents poblacions de leucòcits en sang circulant després de la isquèmia, hem determinat que la subpoblació de monòcits (CD43high/CD11bhigh) augmenta a 48h de manera proporcional al volum d’infart. Aquesta població està formada per dos subtipus descrits de monòcits, els no clàssics (CD43high/Ly6C-) i els intermedis (CD43high/Ly6Cdim), i sembla expressar un perfil de citocines anti-inflamatòries així com una major capacitat fagocítica. Per altra banda, observem la presència de CD43 en el cervell i la seva degradació a 4 dies després de la isquèmia. També s’observa l’aparició de la fracció soluble del CD43 en el parènquima cerebral després del trencament de la barrera hematoencefàlica. Addicionalment, hem estudiat com s’alteren els canvis a nivell immunològic en ratolins deficients en CD69 i hem observat una pitjor progressió del volum d’infart en els animals CD69KO. A més a més hem volgut esbrinar el paper dels limfòcits utilitzant ratolins RAG (-/-) que tenen infarts més petits que els WT, però quan aquests careixen de CD69, tenen infarts significativament més grans. En l’estudi del procés inflamatori en la isquèmica, hem treballat amb ratolins deficient en ApoE i IL10. Pel que fa als ratolins ApoE (-/-), observem que tenen un volum d’infart més gran a les 24h i que es manté fins als 4 dies, i proposem que NFkB pot tenir un paper molt rellevant en aquest procés. Pel que fa a la IL-10, els animals deficients en aquesta citocina presenten un volum d’infart major i una expressió de citocines proinflamatòries més alt. A més a més, els ratolins IL10 KO presenten uns nivells de IL-12 més elevats de manera basal, i proposem que això és degut a la falta de la IL-10 per a inhibir la via.

Funcions de les molècules associades a la mielina i la proteïna priònica cel•lular (PrPc) en neurodegeneració (Malaltia d’Alzheimer) i neuroinflamació (Esclerosi Múltiple)

Les proteïnes associades a la mielina (MAIS), Nogo-A, MAG i OMgp, són molècules que presenten una capacitat inhibitòria molt important per el recreixement axonal i la neuroreparació després de lesió. No obstant des de fa anys les seves funcions han estat ampliades i s’han involucrat en diferents processos degeneratius del sistema nerviós o en processos neuroinflamatoris del sistema nerviós central i el perifèric com ara l'Escleresi Múltiple (MS). La base neurobiològica d’indicadors moleculars que són responsables del dany axonal en MS segueixen sense estar plenament descrits. Recentment s’ha publicat que el mecanisme de senyalització Nogo-A pot regir els primers canvis de la desmielinització immunomediada del sistema nerviós central en el model animal de MS, l’encefalomielitis autoimmune experimental (EAE). De la mateixa forma la proteïna priònica cel•lular és una proteïna que s’ha associat majoritàriament a malalties espongiformes, però que recentment s’ha vinculat (no sense controvèrsia) amb la seva possible relació amb la Malaltia d'Alzheimer (AD), ja que seria capaç de reclutar els oligòmers d’Aβ (ADDLs), els quals correlacionen millor amb el grau de demència, i amb els que interacciona directament, actuant així com un possible mediador de la fosforilació de tau en la malaltia. No obstant, les funcions de les MAIS i de la PrPc en aquests models de la malaltia no estan clarament definits i, per altra banda, es desconeixen els mecanismes de senyalització implicats, no descartant de forma clara el component neural i l’immune.

Nogo, myelin and axonal regeneration

Adult mammalian central nervous system (CNS) axons have very limited capacity of regrowth after injury. In recent years, advances in the field of axonal regeneration have proved that neurons do not regenerate, mainly because of the presence of inhibitory molecules. Myelin-associated proteins limit axonal outgrowth and their blockage improves the regeneration of damaged fiber tracts. Three of these proteins, Nogo, MAG and OMgp, share a common neuronal receptor (NgR), and together represent one of the main hindrances to neuronal regeneration. The recent molecular cloning of Nogo and its receptors opened a new door to the study of axon regeneration. However, many of the elements involved in the myelin inhibitory pathway are still unknown, and the preliminary experiments with knockout mice are rather contradictory. Because of this complexity, Nogo and NgR need to be characterized before precise strategies to promote axon regeneration in the CNS can be designed.

Oral administration of the KATP channel opener diazoxide ameliorates disease progression in a murine model of multiple sclerosis

Background Multiple Sclerosis (MS) is an acquired inflammatory demyelinating disorder of the central nervous system (CNS) and is the leading cause of nontraumatic disability among young adults. Activated microglial cells are important effectors of demyelination and neurodegeneration, by secreting cytokines and others neurotoxic agents. Previous studies have demonstrated that microglia expresses ATP-sensitive potassium (KATP) channels and its pharmacological activation can provide neuroprotective and anti-inflammatory effects. In this study, we have examined the effect of oral administration of KATP channel opener diazoxide on induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a mouse model of MS. Methods Anti-inflammatory effects of diazoxide were studied on lipopolysaccharide (LPS) and interferon gamma (IFNy)-activated microglial cells. EAE was induced in C57BL/6J mice by immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein peptide (MOG35-55). Mice were orally treated daily with diazoxide or vehicle for 15 days from the day of EAE symptom onset. Treatment starting at the same time as immunization was also assayed. Clinical signs of EAE were monitored and histological studies were performed to analyze tissue damage, demyelination, glial reactivity, axonal loss, neuronal preservation and lymphocyte infiltration. Results Diazoxide inhibited in vitro nitric oxide (NO), tumor necrosis factor alpha (TNF-¿) and interleukin-6 (IL-6) production and inducible nitric oxide synthase (iNOS) expression by activated microglia without affecting cyclooxygenase-2 (COX-2) expression and phagocytosis. Oral treatment of mice with diazoxide ameliorated EAE clinical signs but did not prevent disease. Histological analysis demonstrated that diazoxide elicited a significant reduction in myelin and axonal loss accompanied by a decrease in glial activation and neuronal damage. Diazoxide did not affect the number of infiltrating lymphocytes positive for CD3 and CD20 in the spinal cord. Conclusion Taken together, these results demonstrate novel actions of diazoxide as an anti-inflammatory agent, which might contribute to its beneficial effects on EAE through neuroprotection. Treatment with this widely used and well-tolerated drug may be a useful therapeutic intervention in ameliorating MS disease.