Évaluation de l'activité sérotoninergique du cortex préfrontal médian dans un modèle animal de psychose

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mécanismes cellulaires de l'induction du facteur de transcription Nur77 après un traitement aux antipsychotiques

Les antipsychotiques sont utilisés en clinique depuis plus de 50 ans pour pallier aux symptômes de la schizophrénie. Malgré une recherche intensive, les mécanismes cellulaires et moléculaires responsables de l’effet clinique de cette médication demeurent encore nébuleux. Ces drogues sont reconnues comme des antagonistes des récepteurs D2 de la dopamine et peuvent moduler la transcription génique dans le striatum. Au cours des recherches qui ont mené à l'écriture de cette thèse, nous avons exploré l’expression de Nur77, un facteur de transcription de la famille des récepteurs nucléaires, afin de caractériser le rôle de la dopamine, la sérotonine, l’adénosine et le glutamate dans la régulation génique contrôlée par les antagonistes D2. En premier lieu, nous avons examiné l’impact de la co-administration d’agents sérotonergiques et adrénergiques sur l’expression de l’ARNm de Nur77 induite par l’halopéridol, un antipsychotique de première génération. Nous avons observé que le 8-OH-DPAT et le MDL11939 préviennent partiellement l’induction de Nur77 dans le striatum. Au contraire, l’idazoxan potentialise l’effet de l’halopéridol sur l’expression de Nur77 alors que le prazosin reste sans effet. Ces résultats démontrent que l’expression striatale de Nur77 induite par l’halopéridol peut être modulée à la baisse avec un agoniste 5-HT1A ou un antagoniste 5-HT2A. Par la suite, nous avons évalué dans divers paradigmes expérimentaux l’effet de l’éticlopride, un antagoniste spécifique D2, afin d’explorer davantage le mécanisme de l’effet transcriptionnel des antagonistes D2. Étonnamment, la suppression de l’isoforme D2L chez la souris D2L KO ne réduit pas la réponse de l’éticlopride dans le striatum. Par contre, une lésion corticale avec l’acide iboténique bloque l’effet de l’éticlopride sur la transcription de Nur77, suggérant un rôle du glutamate. La combinaison d’un antagoniste des récepteurs métabotropes du glutamate de types 5 (mGluR5) et d’un antagoniste des récepteurs de l’adénosine A2A abolit complètement l’augmentation de la transcription de Nur77 induit par l’éticlopride dans le striatum. La modulation directe de l’expression striatale de Nur77 par les récepteurs mGluR5 et A2A a été confirmée dans un modèle de cultures organotypiques de tranches cérébrales. Ces résultats démontrent clairement que la modulation de l’expression génique dans le striatum, à la suite d’un traitement avec un antagoniste D2 pourrait être indépendante d’une interaction directe avec les récepteurs D2 post-synaptiques, et reposerait plutôt sur son interaction avec les récepteurs D2 hétérosynaptiques des afférences corticostriées et l’activation subséquente des récepteurs post-synaptiques du glutamate et de l’adénosine. En résumé, nos résultats suggèrent que l’interaction des antipsychotiques atypiques avec les récepteurs 5-HT2A et 5-HT1A pourrait expliquer la différence dans le patron d’expression génique induit par ces drogues en comparaison avec les antipsychotiques typiques. De plus, nos résultats révèlent un nouveau mécanisme d’action des antagonistes D2 et supportent un rôle primordial du glutamate et de l’adénosine dans les effets des antipsychotiques de première génération.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

L-ornithine-L-aspartate in experimental portal-systemic encephalopathy: therapeutic efficacy and mechanism of action.

Strategies aimed at the lowering of blood ammonia remain the treatment of choice in portal-systemic encephalopathy (PSE). L-ornithine-L-aspartate (OA) has recently been shown to be effective in the prevention of ammonia-precipitated coma in humans with PSE. These findings prompted the study of mechanisms of the protective effect of OA in portacaval-shunted rats in which reversible coma was precipitated by ammonium acetate administration (3.85 mmol/kg i.p.). OA infusions (300 mg/kg/h, i.v) offered complete protection in 12/12 animals compared to 0/12 saline-infused controls. This protective effect was accompanied by significant reductions of blood ammonia, concomitant increases of urea production and significant increases in blood and cerebrospinal fluid (CSF) glutamate and glutamine. Increased CSF concentrations of leucine and alanine also accompanied the protective effect of OA. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of OA in the prevention of ammonia-precipitated coma in portacaval-shunted rats and suggest that this protective effect is both peripherally-mediated (increased urea and glutamine synthesis) and centrally-mediated (increased glutamine synthesis).

Altération du couplage neurovasculaire par l'angiotensine II : évaluation du rôle de la signalisation calcique astrocytaire

Le couplage neurovasculaire (CNV) est un mécanisme d’homéostasie cérébrale régulant le débit sanguin cérébral (CBF) en fonction de l’activité neuronale. La manière dont il est altéré par l’angiotensine II (Ang II), une hormone synthétisée et relâchée dans la circulation systémique ou, alternativement, produite dans le cerveau grâce aux astrocytes, demeure à élucider. Ces cellules expriment le récepteur AT1 (rAT1) et participent à l’orchestration du CNV en relâchant des agents vasoactifs suivant la réponse calcique astrocytaire. Nous avons donc étudié le rôle de cette réponse dans l’altération du CNV induite par l’Ang II. Nous avons trouvé par fluxmétrie par laser Doppler que l’Ang II atténue (p<0.05) la réponse du CBF engendrée par l’activation des récepteurs métabotropes du glutamate du groupe I (mGluRI) du cortex chez la souris C57BL/6. De manière similaire, l’Ang II diminue l'élévation du CBF induite par la stimulation des vibrisses (p<0.05). Sur tranches de cerveaux en aiguë, la polarité de la réponse vasculaire induite par un agoniste mGluRI dans les artérioles parenchymateuses a été significativement renversée par l’Ang II de la vasodilatation vers la vasoconstriction. En parallèle, l’Ang II a augmenté les niveaux de calcium astrocytaire basaux et l’amplitude des réponses calciques (p<0.05). L’altération des réponses vasculaires et calciques maximales a été prévenue par le candesartan, antagoniste des rAT1. Nos résultats suggèrent que l’Ang II potentialise via les rAT1 la réponse calcique qui atteint un seuil favorisant la vasoconstriction par rapport à la vasodilatation, altérant ainsi l’augmentation du CBF en réponse à l’activité neuronale.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

L-Glutaminase production by Marine Bacteria

L-glutaminases (L—glutamine amidohydrolase EC.3.5.l.2) is proposed as a prospective candidate for enzyme therapy cnf cancer and also as zui important additive during enzymatic digestion of shoyu koji since it could enhance glutamate content of soysauce. Commercial production of glutaminase could make possible its wide application in these areas, which would demand availability of potential sources and suitable fermentation techniques. The ‘present investigation highlighted marine environment as a potential source of efficient glutaminase producing bacteria mainly species of pseudomonas, aeromonas ,vibrio,alcaligenes, acinetobacter bacillus and planococci.Among them pseudomonas fluorescens ACMR 267 and v.cholerae ACMR 347 were chosen as the ideal strains for glutaminase production.Extracellular glutaminase fraction from all strains were in higher titres than intracellular enzymes during growth in mineral media, nutrient broth and nutrient broth added with glutamine.Glutaminase from all strains were purified employing (NH4)2SO4 fractionation followed tnr dialysis and ion exchange chromatography. The purified glutaminase from all strains were observed to be active and stable over a wide range of gfii and temperature.Optimization studies cflf environmental variables that normally influence time yiehi of glutaminase indicated that the optimal requirements of these bacteria for maximal glutaminase production remained stable irrespective of the medium, they are provided with for enzyme production. However, solid state fermentation technique was observed to be the most suitable process for the production of Glutaminase.

Studies on L-glutamic acid Production using Brevibacterium sp.

The thesis comprises a set of experiments mainly focused on the improvement of L-glutamic acid fennentation. Much attention has been given to use of locally available raw materials, culturing the organism on inert solid substrates and also immobilization of the bacterial cells from the view point of long term utilization of biocatalyst and continuous operation of the stabilized system. Studies were also carried out for the down stream processing for the extraction and purification of L-glutamic acid. An attempt was made to study the morphological features of the microorganism including the cell premeability. In relation with the accumulation of glutamic acid within the cells an approach was made to study the behaviour of the Brevibacterium cells when they are exposed to hyper osmotic environment. Attempts were also made to study the requirement of iron and production of siderophores by this microbial strain. The search for a suitable nitrogen source for glutamate fermentation ended with a promising result that they got a potent urease activity and it can be utilized for many biotransfonnation studies. The entire thesis is presented in three sections, viz. introductory section, experimental section and the concluding section

Nerve terminal GABAA receptors activate Ca2+/calmodulin-dependent signaling to inhibit voltage-gated Ca2+ influx and glutamate release

-Aminobutyric acid type A (GABAA) receptors, a family of Cl-permeable ion channels, mediate fast synaptic inhibition as postsynaptically enriched receptors for -aminobutyric acid at GABAergic synapses. Here we describe an alternative type of inhibition mediated byGABAA receptors present on neocortical glutamatergic nerve terminals and examine the underlying signaling mechanism(s). By monitoring the activity of the presynaptic CaM kinase II/synapsin I signaling pathway in isolated nerve terminals, we demonstrate that GABAA receptor activation correlated with an increase in basal intraterminal [Ca2]i. Interestingly, this activation of GABAA receptors resulted in a reduction of subsequent depolarization-evoked Ca2 influx, which thereby led to an inhibition of glutamate release. To investigate how the observed GABAA receptor-mediated modulation operates, we determined the sensitivity of this process to the Na-K-2Cl cotransporter 1 antagonist bumetanide, as well as substitution of Ca2 with Ba2, or Ca2/calmodulin inhibition by W7. All of these treatments abolished the modulation by GABAA receptors. Application of selective antagonists of voltage-gated Ca2 channels (VGCCs) revealed that the GABAA receptor-mediated modulation of glutamate release required the specific activity of L- and R-type VGCCs. Crucially, the inhibition of release by these receptors was abolished in terminals isolated from R-type VGCC knock-out mice. Together, our results indicate that a functional coupling between nerve terminal GABAA receptors and L- or R-type VGCCs is mediated by Ca2/calmodulin-dependent signaling. This mechanism provides a GABA-mediated control of glutamatergic synaptic activity by a direct inhibition of glutamate release.

Insights into the effects on metal binding of the systematic substitution of five key glutamate ligands in the ferritin of Escherichia coli

Ferritins are nearly ubiquitous iron storage proteins playing a fundamental role in iron metabolism. They are composed of 24 subunits forming a spherical protein shell encompassing a central iron storage cavity. The iron storage mechanism involves the initial binding and subsequent O-2-dependent oxidation of two Fe2+ ions located at sites A and B within the highly conserved dinuclear "ferroxidase center" in individual subunits. Unlike animal ferritins and the heme-containing bacterioferritins, the Escherichia coli ferritin possesses an additional iron-binding site (site C) located on the inner surface of the protein shell close to the ferroxidase center. We report the structures of five E. coli ferritin variants and their Fe3+ and Zn2+ (a redox-stable alternative for Fe2+) derivatives. Single carboxyl ligand replacements in sites A, B, and C gave unique effects on metal binding, which explain the observed changes in Fe2+ oxidation rates. Binding of Fe2+ at both A and B sites is clearly essential for rapid Fe2+ oxidation, and the linking of Fe-B(2+) to Fe-C(2+) enables the oxidation of three Fe2+ ions. The transient binding of Fe2+ at one of three newly observed Zn2+ sites may allow the oxidation of four Fe2+ by one dioxygen molecule.

Copper(II) complexes of mono-anionic glutamate: anionic influence in the variations of molecular and supramolecular structures

Three new polynuclear copper(II) complexes of singly deprotonated L-glutamic acid (L-glu), {[Cu(bipy)(2)][Cu(bipy)(L-glu)H2O](2)(BF4)(4)center dot(H2O)(3)}(n) (1), {[Cu(bipy)(L-glu)H2O][Cu(bipy)(L-glu)(ClO4)]( ClO4)center dot(H2O)(2)}(n) ((2)) and [Cu(phen)(L-glu)H2O](2)(NO3)(2)center dot(H2O)(4) (3) (bipy = 2,2-bipyridine, phen = 1,10-phenanthroline), were synthesized in acidic pH (ca. 2.5) and characterized structurally. In all the complexes, L-glutamic acid acts as a bidentate chelating ligand, leaving the protonated carboxylic acid free. Both in 1 and 2, two different types of species [Cu(bipy)(2)](BF4)(2) and [Cu(bipy)(L-glu)H2O] BF4 for 1 and [Cu(bipy)(L-glu)H2O]ClO4 and [Cu(bipy)(L-glu)(ClO4)] for 2 coexist in the solid state. In complex 1, the [C( bipy)(L-glu)H2O]+ units are joined together by syn-anti carboxylate bridges to form an enantiopure (M) helical chain and the [Cu(bipy)(2)](2+) presents a very rare example of the four-coordinate distorted tetrahedral geometry of Cu(II). In complex 2, the [Cu(bipy)(L gluClO(4))] units are joined together by weakly coordinating perchlorate ions to form a 1D polymeric chain while the [Cu(bipy)(L-glu)H2O]+ units remain as mononuclear species. The different coordinating ability of the two counter anions along with their involvement in the H-bonding network seems likely to be responsible for the difference in the final polymeric structures in the two compounds. Variable-temperature (2-300 K) magnetic susceptibility measurements show negligible coupling for both the complexes. The structure of 3 consists of two independent monomeric [Cu(phen)(L-glu)H2O]+ cations, two nitrate anions and four water molecules. The copper atom occupies a five-coordinate square pyramidal environment with a water molecule in the axial position.

Expression of SOD1 G93A or wild-type SOD1 in primary cultures of astrocytes down-regulates the glutamate transporter GLT-1: lack of involvement of oxidative stress

Glutamate excitotoxicity is implicated in the aetiology of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) with impairment of glutamate transport into astrocytes a possible cause of glutamate-induced injury to motor neurons. It is possible that mutations of Cu/Zn superoxide dismutase (SOD1), responsible for about 20% of familial ALS, down-regulates glutamate transporters via oxidative stress. We transfected primary mouse astrocytes to investigate the effect of the FALS-linked mutant hSOD1(G93A) and wild-type SOD1 (hSOD1(wt)) on the glutamate uptake system. Using western blotting, immunocytochemistry and RT-PCR it was shown that expression of either hSOD1(G93A) or hSOD1(wt) in astrocytes produced down-regulation of the levels of a glutamate transporter GLT-1, without alterations in its mRNA level. hSOD1(G93A) or hSOD1(wt) expression caused a decrease of the monomeric form of GLT-1 without increasing oxidative multimers of GLT-1. The effects were selective to GLT-1, since another glutamate transporter GLAST protein and mRNA levels were not altered. Reflecting the decrease in GLT-1 protein, [H-3]D-aspartate uptake was reduced in cultures expressing hSOD1(G93A) or hSOD1(wt). The hSOD1-induced decline in GLT-1 protein and [H-3]D-aspartate uptake was not blocked by the antioxidant Trolox nor potentiated by antioxidant depletion using catalase and glutathione peroxidase inhibitors. Measurement of 2',7'-dichlorofluorescein (DCF)-induced fluorescence revealed that expression of hSOD1(G93A) or hSOD1(wt) in astrocytes does not lead to detectable increase of intracellular reactive oxygen species. This study suggests that levels of GLT-1 protein in astrocytes are reduced rapidly by overexpression of hSOD1, and is due to a property shared between the wild-type and G93A mutant form, but does not involve the production of intracellular oxidative stress.

Characterisation of the intracellular-glutamate decarboxylase system (GAD): analysis of its function, transcription and role in the acid resistance of various strains of Listeria monocytogenes

The glutamate decarboxylase (GAD) system is important for the acid resistance of Listeria monocytogenes. We previously showed that under acidic conditions, glutamate (Glt)/γ-aminobutyrate (GABA) antiport is impaired in minimal media but not in rich ones, like brain heart infusion. Here we demonstrate that this behavior is more complex and it is subject to strain and medium variation. Despite the impaired Glt/GABA antiport, cells accumulate intracellular GABA (GABA(i)) as a standard response against acid in any medium, and this occurs in all strains tested. Since these systems can occur independently of one another, we refer to them as the extracellular (GAD(e)) and intracellular (GAD(i)) systems. We show here that GAD(i) contributes to acid resistance since in a ΔgadD1D2 mutant, reduced GABA(i) accumulation coincided with a 3.2-log-unit reduction in survival at pH 3.0 compared to that of wild-type strain LO28. Among 20 different strains, the GAD(i) system was found to remove 23.11% ± 18.87% of the protons removed by the overall GAD system. Furthermore, the GAD(i) system is activated at milder pH values (4.5 to 5.0) than the GAD(e) system (pH 4.0 to 4.5), suggesting that GAD(i) is the more responsive of the two and the first line of defense against acid. Through functional genomics, we found a major role for GadD2 in the function of GAD(i), while that of GadD1 was minor. Furthermore, the transcription of the gad genes in three common reference strains (10403S, LO28, and EGD-e) during an acid challenge correlated well with their relative acid sensitivity. No transcriptional upregulation of the gadT2D2 operon, which is the most important component of the GAD system, was observed, while gadD3 transcription was the highest among all gad genes in all strains. In this study, we present a revised model for the function of the GAD system and highlight the important role of GAD(i) in the acid resistance of L. monocytogenes.

Hypoxia suppresses glutamate transport in astrocytes

Glutamate uptake by astrocytes is fundamentally important in the regulation of CNS function. Disruption of uptake can lead to excitotoxicity and is implicated in various neurodegenerative processes as well as a consequence of hypoxic/ischemic events. Here, we investigate the effect of hypoxia on activity and expression of the key glutamate transporters excitatory amino acid transporter 1 (EAAT1) [GLAST (glutamate-aspartate transporter)] and EAAT2 [GLT-1 (glutamate transporter 1)]. Electrogenic, Na+-dependent glutamate uptake was monitored via whole-cell patch-clamp recordings from cortical astrocytes. Under hypoxic conditions (2.5 and 1% O2 exposure for 24 h), glutamate uptake was significantly reduced, and pharmacological separation of uptake transporter subtypes suggested that the EAAT2 subtype was preferentially reduced relative to the EAAT1. This suppression was confirmed at the level of EAAT protein expression (via Western blots) and mRNA levels (via real-time PCR). These effects of hypoxia to inhibit glutamate uptake current and EAAT protein levels were not replicated by desferrioxamine, cobalt, FG0041, or FG4496, agents known to mimic effects of hypoxia mediated via the transcriptional regulator, hypoxia-inducible factor (HIF). Furthermore, the effects of hypoxia were not prevented by topotecan, which prevents HIF accumulation. In stark contrast, inhibition of nuclear factor-kappaB (NF-kappaB) with SN50 fully prevented the effects of hypoxia on glutamate uptake and EAAT expression. Our results indicate that prolonged hypoxia can suppress glutamate uptake in astrocytes and that this effect requires activation of NF-kappaB but not of HIF. Suppression of glutamate uptake via this mechanism may be an important contributory factor in hypoxic/ischemic triggered glutamate excitotoxicity.

Divergent evolution of the activity and regulation of the glutamate decarboxylase systems in Listeria monocytogenes EGD-e and 10403S : roles in virulence and acid tolerance

The glutamate decarboxylase (GAD) system has been shown to be important for the survival of Listeria monocytogenes in low pH environments. The bacterium can use this faculty to maintain pH homeostasis under acidic conditions. The accepted model for the GAD system proposes that the antiport of glutamate into the bacterial cell in exchange for γ-aminobutyric acid (GABA) is coupled to an intracellular decarboxylation reaction of glutamate into GABA that consumes protons and therefore facilitates pH homeostasis. Most strains of L. monocytogenes possess three decarboxylase genes (gadD1, D2 & D3) and two antiporter genes (gadT1 & gadT2). Here, we confirm that the gadD3 encodes a glutamate decarboxylase dedicated to the intracellular GAD system (GADi), which produces GABA from cytoplasmic glutamate in the absence of antiport activity. We also compare the functionality of the GAD system between two commonly studied reference strains, EGD-e and 10403S with differences in terms of acid resistance. Through functional genomics we show that EGD-e is unable to export GABA and relies exclusively in the GADi system, which is driven primarily by GadD3 in this strain. In contrast 10403S relies upon GadD2 to maintain both an intracellular and extracellular GAD system (GADi/GADe). Through experiments with a murinised variant of EGD-e (EGDm) in mice, we found that the GAD system plays a significant role in the overall virulence of this strain. Double mutants lacking either gadD1D3 or gadD2D3 of the GAD system displayed reduced acid tolerance and were significantly affected in their ability to cause infection following oral inoculation. Since EGDm exploits GADi but not GADe the results indicate that the GADi system makes a contribution to virulence within the mouse. Furthermore, we also provide evidence that there might be a separate line of evolution in the GAD system between two commonly used reference strains.