Développement d'une méthode de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques établies par les neurones dopaminergiques

Les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire compacte (SNc) et de l’aire tegmentaire ventrale (ATV) développent des contacts de type synaptique et non synaptique. Malgré de nombreux travaux sur la synaptogénèse en général, aucune méthode autre que la microscopie électronique, n’a été développée pour quantifier les varicosités synaptiques et asynaptiques issues des neurones DA. L’objectif principal de ce projet était de développer une méthode d’analyse et de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques des neurones DA. L’hypothèse proposée est qu’il devait être possible de détecter la présence de synapses en visualisant la colocalisation d’une protéine présynaptique telle que synaptotagmine 1 (SYT1) avec un marqueur post-synaptique tel que la postsynaptic density protein 95 (PSD95). Pour ce faire, nous avons préparé des cultures primaires de neurones DA à l’aide d’une lignée de souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente verte (GFP) sous le contrôle du promoteur de la tyrosine hydroxyalse (TH). Nous avons ensuite visualisé les terminaisons axonales à l'aide de marquages immunocytochimiques de protéines pré et post-synaptiques. L’analyse quantitative des images a été effectuée avec le logiciel de traitement d’image Image-J. Nos résultats montrent que, via l’association d’un marqueur présynaptique tel que SYT1 avec un marqueur postsynaptique tel que PSD95, seule une minorité des terminaisons établies par les neurones DA sont de type synaptique. En contraste, des neurones glutamatergiques du cortex, établissent une majorité de terminaisons associées à un marqueur postsynaptique. Nos résultats valident donc la mise en place d'une technique d'analyse permettant de quantifier la proportion de terminaisons synaptiques et asynaptiques établies par les neurones DA.

Implication de Syngap1 dans la transmission GABAergique et la plasticité synaptique

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

A pattern recognition approach to complex networks

Complex networks exist in many areas of science such as biology, neuroscience, engineering, and sociology. The growing development of this area has led to the introduction of several topological and dynamical measurements, which describe and quantify the structure of networks. Such characterization is essential not only for the modeling of real systems but also for the study of dynamic processes that may take place in them. However, it is not easy to use several measurements for the analysis of complex networks, due to the correlation between them and the difficulty of their visualization. To overcome these limitations, we propose an effective and comprehensive approach for the analysis of complex networks, which allows the visualization of several measurements in a few projections that contain the largest data variance and the classification of networks into three levels of detail, vertices, communities, and the global topology. We also demonstrate the efficiency and the universality of the proposed methods in a series of real-world networks in the three levels.

Pancreatic islets from dexamethasone-treated rats show alterations in global gene expression and mitochondrial pathways

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estatuto biológico do processamento de informação mental

Raciocinando no contexto do programa neomecanicista para a Biologia, estudamos a natureza do processamento de informação no sistema vivo em geral, e no cérebro humano em particular, onde uma aplicação do modelo da Auto-Organização nos conduz à hipótese do Supercódigo. Este seria um programa mental, molecularmente codificado, responsável pelas competências inatas, como a competência lingüística. Fazemos também uma comparação entre nossa hipótese e a da Linguagem do Pensamento, proposta por Jerry Fodor.

Análise vibracional do α-tocoferol

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Scientometric Study of Doctoral Dissertations in Biochemistry in the University of Kerala, India

Biochemistry is the most fascinating subject as it deals with the chemical language of life. The ultimate goal of biochemistry is to describe the phenomena that distinguish living from non-living in the language of chemistry and physics. Researchers in biochemistry use specific techniques native to biochemistry, but increasingly combine these with techniques and ideas from genetics, molecular biology and biophysics. In India at present around 75,000 students are enrolled in research and nearly 11,000 are awarded PhDs every year, of which 50 percent are from science and technology disciplines. Theses and dissertations reflect the scholarly communication process. Scientometrics and citation characteristics of dissertations like the subject fields of dissertations, the number of citations and their distribution by type of source, years, and by number of authors etc., have been studied with a view to identify the basic features of the scholarly communication process in different fields of study. The purpose of the present study is to determine the bibliometric characteristics of the biochemistry research in the university of Kerala, India including subject distribution, bibliographic forms of cited documents, most cited journals, collaboration in authorship, etc. A total of 168 doctoral dissertations awarded between 1966 and 2007 at the Department of Biochemistry of University of Kerala were used as a source.

Age, Sex, and Telomere Dynamics in a Long-Lived Seabird with Male-Biased Parental Care

The examination of telomere dynamics is a recent technique in ecology for assessing physiological state and age-related traits from individuals of unknown age. Telomeres shorten with age in most species and are expected to reflect physiological state, reproductive investment, and chronological age. Loss of telomere length is used as an indicator of biological aging, as this detrimental deterioration is associated with lowered survival. Lifespan dimorphism and more rapid senescence in the larger, shorter-lived sex are predicted in species with sexual size dimorphism, however, little is known about the effects of behavioral dimorphism on senescence and life history traits in species with sexual monomorphism. Here we compare telomere dynamics of thick-billed murres (Uria lomvia), a species with male-biased parental care, in two ways: 1) cross-sectionally in birds of known-age (0-28 years) from one colony and 2) longitudinally in birds from four colonies. Telomere dynamics are compared using three measures: the telomere restriction fragment (TRF), a lower window of TRF (TOE), and qPCR. All showed age-related shortening of telomeres, but the TRF measure also indicated that adult female murres have shorter telomere length than adult males, consistent with sex-specific patterns of ageing. Adult males had longer telomeres than adult females on all colonies examined, but chick telomere length did not differ by sex. Additionally, inter-annual telomere changes may be related to environmental conditions; birds from a potentially low quality colony lost telomeres, while those at more hospitable colonies maintained telomere length. We conclude that sex-specific patterns of telomere loss exist in the sexually monomorphic thick-billed murre but are likely to occur between fledging and recruitment. Longer telomeres in males may be related to their homogamous sex chromosomes (ZZ) or to selection for longer life in the care-giving sex. Environmental conditions appeared to be the primary drivers of annual changes in adult birds.

Evidence for glutamatergic ganglion cells in the avian retina

This dissertation presents structural, immunochemical and neurochemical evidence for glutamatergic retinotectal synaptic transmission, augmenting and extending previous physiological and anatomical studies. The evidence is especially striking when the laminar patterns of ($\sp3$H) L-glutamate receptor binding, ($\sp3$H) L-glutamate high affinity uptake (HAU) and glutamate immunoreactivity (GLIR) of the dorsal tectum are compared. All show high activity in the tectal SGFS, with a peak in the most superficial laminae of SGFS followed by dip in the b-c region, and a second broad peak in deeper SGFS. Uptake and immunoreactivity bear a stronger resemblance to one another than either does to receptor binding, consistent with the fact that HAU and GLIR are localized in the same structures: glutamatergic terminals, intrinsic cell bodies and their processes. Receptor binding, as attested by the lack of enucleation effects, is a marker of postsynaptic receptors. In summary, these results are consistent with the hypothesis that most of the retinal projection to the optic tectum is glutamatergic: (1) A glutamate/aspartate HAU system exists in the superficial laminae, and it is dependent upon an intact retinal input, as shown developmentally and by retinal ablation; (2) Glutamate-like immunoreactivity appears in retinorecipient tectal regions (partially responsive to enucleation), in cell bodies of retinal ganglion cells and displaced ganglion cells, and in a non-tectal ganglion cell projection, the ectomammilary nucleus; (3) Sodium-independent glutamate receptor binding (which remains unchanged by enucleation) is most intense in the retinorecipient regions of the tectum and the ectomammilary nucleus. This binding is pharmacologically typical of a CNS sensory structure, being dominated by the quisqualate/kainate receptor subclass. Thus, as with other sensory systems, a portion of the retinotectal projection has been shown to include glutamatergic afferents with the distribution and properties expected of the primary projection ^

A pharmacological investigation of noradrenergic receptor mechanisms in neophobia

The dorsal noradrenergic bundle (DB) is a major ascending pathway which originates in the locus coeruleus of the brainstem and projects to the forebrain. The behavioral role of the DB remains unclear, despite a great deal of effort. Selective attention and anxiety are two areas which have been the focus of recent research. Some studies of the DB utilize the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA), since 6-OHDA injection into this pathway results in greater than 90 percent depletion of cortical and hippocampal norepinephrine (NE). Neophobia, the fear of novelty, has been reported to be either increased or decreased by 6-OHDA lesions of the DB, depending on conditions. The selective attention hypothesis would be supported by increased neophobia after 6-OHDA lesions, while the anxiety hypothesis would be supported by decreased neophobia. We have examined the effects of 6-OHDA DB lesions on neophobia under conditions in which the test environment and/or the test food were novel. We found that the lesion attenuates neophobia, defined as an increased preference for novel food, when both the environment and food were novel. The lesion had no effect on neophobia when only the environment or food was novel.^ We examined the effects of chronic intraventricular NE infusions on behavior in our neophobia test, in sham and 6-OHDA DB lesioned animals. We found that chronic NE infusions into lesioned animals significantly reversed the lesion-induced attenuation of neophobia. Sham/NE infused animals demonstrated a 40 percent greater preference for familiar food compared to sham/saline infused animals. These data suggest that infusions of NE have an effect opposite to lesion-induced attenuation of neophobia. Chronic infusions of the alpha adrenoceptor agonists had no consistent effects on neophobia. The beta adrenoceptor agonist, isoproterenol reversed the lesion-induced attenuation of neophobia but not to a statistically significant degree. Isoproterenol increased neophobia in sham animals. Forskolin, an adenylate cyclase activator, mimicked the effects of NE infusion by significantly reversing the lesion-induced attenuation of neophobia, while increasing neophobia in sham animals. These results suggest that increased release of NE during stress increases neophobia in part by stimulating beta adrenoceptors which activate adenylate cyclase. ^

Multiple site phosphorylation of tyrosine hydroxylase: A potential role for protein kinase C in the regulation of catecholamine synthesis

Tyrosine hydroxylase (TH), the initial and rate limiting enzyme in the catecholaminergic biosynthetic pathway, is phosphorylated on multiple serine residues by multiple protein kinases. Although it has been demonstrated that many protein kinases are capable of phosphorylating and activating TH in vitro, it is less clear which protein kinases participate in the physiological regulation of catecholamine synthesis in situ. These studies were designed to determine if protein kinase C (PK-C) plays such a regulatory role.^ Stimulation of intact bovine adrenal chromaffin cells with phorbol esters results in stimulation of catecholamine synthesis, tyrosine hydroxylase phosphorylation and activation. These responses are both time and concentration dependent, and are specific for those phorbol ester analogues which activate PK-C. RP-HPLC analysis of TH tryptic phosphopeptides indicate that PK-C phosphorylates TH on three putative sites. One of these (pepetide 6) is the same as that phosphorylated by both cAMP-dependent protein kinase (PK-A) and calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaM-K). However, two of these sites (peptides 4 and 7) are unique, and, to date, have not been shown to be phosphorylated by any other protein kinase. These peptides correspond to those which are phosphorylated with a slow time course in response to stimulation of chromaffin cells with the natural agonist acetylcholine. The activation of TH produced by PK-C is most closely correlated with the phosphorylation of peptide 6. But, as evident from pH profiles of tyrosine hydroxylase activity, phosphorylation of peptides 4 and 7 affect the expression of the activation produced by phosphorylation of peptide 6.^ These data support a role for PK-C in the control of TH activity, and suggest a two stage model for the physiological regulation of catecholamine synthesis by phosphorylation in response to cholinergic stimulation. An initial fast response, which appears to be mediated by CaM-K, and a slower, sustained response which appears to be mediated by PK-C. In addition, the multiple site phosphorylation of TH provides a mechanism whereby the regulation of catecholamine synthesis appears to be under the control of multiple protein kinases, and allows for the convergence of multiple, diverse physiological and biochemical signals. ^

Proton flux across artificial vesicle bilayers

The study of proton conductance across artificial membranes has revealed a surprisingly high permeability for H+, (Pnet H+). A high Pnet H+ is difficult to reconcile with the biological requirement for the maintenance of pH gradients across the plasma membranes of cells, organellar study was undertaken to examine the role played by cholesterol and phospholipid fatty acid side chain composition in determining how well a membrane will function as a barrier to acid. The effects of counter-ion movement on acidification rates were examined in order to interpret the data obtained from variations in membrane composition. In phosphate buffered saline solutions, vesicle membranes composed of unsaturated fatty acid phosphatidylcholines proved to be poorer barriers to acid than membranes composed of saturated fatty acids. The barrier properties of these membranes could be ranked in the following order: DPL, (palmitic) $>$ Egg PC, (mixed chains) $>$ DLL, (linoleic), with DPL being the most effective in maintaining a one pH unit gradient near neutrality. Cholesterol decreased acidification rates of membranes made from the unsaturated phosphatidylcholines Egg PC and DLL, but enhanced acidification rates in vesicle membranes composed of the saturated phospholipid DPL. The cholesterol and fatty acid side chain effects were mediated by changes in membrane fluidity, with more rigid bilayers forming better barriers to acid. Experimental evidence was obtained which confirmed the Pnet H+ is very high relative to the permeabilities of other ions. Counter-ion controlled acidification rates depended on the size and charge of the ion which was moving in order to maintain electroneutrality. The biological relevance of a high intrinsic Pnet H+ and the possible role of counter-ion controlled acidification were discussed. ^

Ca++/calmodulin-dependent protein kinase II: Messenger RNA in developing rat brain

Ca$\sp{++}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaM-KII) is highly concentrated in mammalian brain, comprising as much as 2% of the total protein in some regions. In forebrain, CaM-KII has been shown to be enriched in postsynaptic structures where it has been implicated in maintaining cytoskeletal structure, and more recently in signal transduction mechanisms and processes underlying learning and memory. CaM-KII appears to exist as a holoenzyme composed of two related yet distinct subunits, alpha and beta. The ratio of the subunits in the holoenzyme varies with different brain regions and to some degree with subcellular fractions. The two subunits also display distinct developmental profiles. Levels of alpha subunit are not evident at birth but increase dramatically during postnatal development, while levels of beta subunit are readily detected at birth and only gradual increase postnatally. The distinct regional, subcellular and developmental distribution of the two subunits of CaM-KII have prompted us to examine factors involved in regulating the synthesis of the subunit proteins.^ This dissertation addresses the regional and developmental expression of the mRNAs for the individual subunits using in situ hybridization histochemistry and northern slot-blot analysis. By comparing the developmental profile of each mRNA with that of its respective protein, we have determined that initiation of gene transcription is likely the primary site for regulating CaM-KII protein levels. Furthermore, the distinct cytoarchitecture of the hippocampus has allowed us to demonstrate that the alpha, but not beta subunit mRNA is localized in dendrites of certain forebrain neurons. The localization of alpha subunit mRNA at postsynaptic structures, in concert with the accumulation of subunit protein, suggests that dendritic synthesis of CaM-KII alpha subunit may be important for maintaining postsynaptic structure and/or function. ^