An astrocytic binding site for neuronal Thy-1 and its effect on neurite outgrowth.

Thy-1, a member of the immunoglobulin superfamily, is one of the most abundant glycoproteins on mammalian neurons. Nevertheless, its role in the peripheral or central nervous system is poorly understood. Certain monoclonal antibodies to Thy-1 promote neurite outgrowth by rodent central nervous system neurons in vitro, suggesting that Thy-1 functions, in part, by modulating neurite outgrowth. We describe a binding site for Thy-1 on astrocytes. This Thy-1-binding protein has been characterized by immunofluroesence with specific anti-idiotype monoclonal antibodies and by three competitive binding assays using (i) anti-idiotype antibodies, (ii) purified Thy-1, and (iii) Thy-1-transfected cells. The Thy-1-binding protein may participate in axonal or dendritic development in the nervous system.

Neurotrophin 3 rescues neuronal precursors from apoptosis and promotes neuronal differentiation in the embryonic metanephric kidney.

We analyzed the developmental regulation and role of the neurotrophins during metanephric kidney morphogenesis. RNase protection assay revealed the presence of nerve growth factor, neurotrophin 3 (NT-3), and brain-derived neurotrophic factor mRNAs and the regulation of their expression during embryonic development of rat metanephros. NT-3 induced differentiation (neurite outgrowth) and survival (inhibition of apoptosis) of the neuronal precursors in cultured nephrogenic mesenchymes and neuronal differentiation in cultured whole kidneys, whereas NT-4/5, brain-derived neurotrophic factor, and nerve growth factor were without effect. The neurotrophins did not trigger tubular differentiation of isolated nephrogenic cells, which underwent apoptosis when cultured with or without the neurotrophins. NT-3 is thus an inducer of differentiation and a survival factor for renal neuronal cells, but none of the neurotrophins is a morphogen in kidney tubule induction.

Impairment of axonal development and of synaptogenesis in hippocampal neurons of synapsin I-deficient mice.

Synapsin I, the most abundant of all neuronal phosphoproteins, is enriched in synaptic vesicles. It has been hypothesized to regulate synaptogenesis and neurotransmitter release from adult nerve terminals. The evidence for such roles has been highly suggestive but not compelling. To evaluate the possible involvement of synapsin I in synaptogenesis and in the function of adult synapses, we have generated synapsin I-deficient mice by homologous recombination. We report herein that outgrowth of predendritic neurites and of axons was severely retarded in the hippocampal neurons of embryonic synapsin I mutant mice. Furthermore, synapse formation was significantly delayed in these mutant neurons. These results indicate that synapsin I plays a role in regulation of axonogenesis and synaptogenesis.

High-level expression of functional rat neuronal nitric oxide synthase in Escherichia coli.

The neuronal nitric oxide synthase (nNOS) has been successfully overexpressed in Escherichia coli, with average yields of 125-150 nmol (20-24 mg) of enzyme per liter of cells. The cDNA for nNOS was subcloned into the pCW vector under the control of the tac promotor and was coexpressed with the chaperonins groEL and groES in the protease-deficient BL21 strain of E. coli. The enzyme produced is replete with heme and flavins and, after overnight incubation with tetrahydrobiopterin, contains 0.7 pmol of tetrahydrobiopterin per pmol of nNOS. nNOS is isolated as a predominantly high-spin heme protein and demonstrates spectral properties that are identical to those of nNOS isolated from stably transfected human kidney 293 cells. It binds N omega-nitroarginine dependent on the presence of bound tetrahydrobiopterin and exhibits a Kd of 45 nM. The enzyme is completely functional; the specific activity is 450 nmol/min per mg. This overexpression system will be extremely useful for rapid, inexpensive preparation of large amounts of active nNOS for use in mechanistic and structure/function studies, as well as for drug design and development.

bcl-x is expressed in embryonic and postnatal neural tissues and functions to prevent neuronal cell death.

Previous studies have implicated the bcl-2 protooncogene as a potential regulator of neuronal survival. However, mice lacking functional bcl-2 exhibited normal development and maintenance of the central nervous system (CNS). Since bcl-2 appears dispensable for neuronal survival, we have examined the expression and function of bcl-x, another member of the bcl-2 family of death regulatory genes. Bcl-2 is expressed in neuronal tissues during embryonic development but is down-regulated in the adult CNS. In contrast, Bcl-xL expression is retained in neurons of the adult CNS. Two different forms of bcl-x mRNA and their corresponding products, Bcl-xL and Bcl-x beta, were expressed in embryonic and adult neurons of the CNS. Microinjection of bcl-xL and bcl-x beta cDNAs into primary sympathetic neurons inhibited their death induced by nerve growth factor withdrawal. Thus, Bcl-x proteins appear to play an important role in the regulation of neuronal survival in the adult CNS.

Development of a magnetic resonance compatible wrist device for the analysis of movement encoding in the brain

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Role of the cotransporter KCC2 in cortical excitatory synapse development and febrile seizure susceptibility

Le co-transporteur KCC2 spécifique au potassium et chlore a pour rôle principal de réduire la concentration intracellulaire de chlore, entraînant l’hyperpolarisation des courants GABAergic l’autorisant ainsi à devenir inhibiteur dans le cerveau mature. De plus, il est aussi impliqué dans le développement des synapses excitatrices, nommées aussi les épines dendritiques. Le but de notre projet est d’étudier l’effet des modifications concernant l'expression et la fonction de KCC2 dans le cortex du cerveau en développement dans un contexte de convulsions précoces. Les convulsions fébriles affectent environ 5% des enfants, et ce dès la première année de vie. Les enfants atteints de convulsions fébriles prolongées et atypiques sont plus susceptibles à développer l’épilepsie. De plus, la présence d’une malformation cérébrale prédispose au développement de convulsions fébriles atypiques, et d’épilepsie du lobe temporal. Ceci suggère que ces pathologies néonatales peuvent altérer le développement des circuits neuronaux irréversiblement. Cependant, les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne sont pas encore compris. Nous avons pour but de comprendre l'impact des altérations de KCC2 sur la survenue des convulsions et dans la formation des épines dendritiques. Nous avons étudié KCC2 dans un modèle animal de convulsions précédemment validé, qui combine une lésion corticale à P1 (premier jour de vie postnatale), suivie d'une convulsion induite par hyperthermie à P10 (nommés rats LHS). À la suite de ces insultes, 86% des rats mâles LHS développent l’épilepsie à l’âge adulte, au même titre que des troubles d’apprentissage. À P20, ces animaux presentent une augmentation de l'expression de KCC2 associée à une hyperpolarisation du potentiel de réversion de GABA. De plus, nous avons observé des réductions dans la taille des épines dendritiques et l'amplitude des courants post-synaptiques excitateurs miniatures, ainsi qu’un déficit de mémoire spatial, et ce avant le développement des convulsions spontanées. Dans le but de rétablir les déficits observés chez les rats LHS, nous avons alors réalisé un knock-down de KCC2 par shARN spécifique par électroporation in utero. Nos résultats ont montré une diminution de la susceptibilité aux convulsions due à la lésion corticale, ainsi qu'une restauration de la taille des épines. Ainsi, l’augmentation de KCC2 à la suite d'une convulsion précoce, augmente la susceptibilité aux convulsions modifiant la morphologie des épines dendritiques, probable facteur contribuant à l’atrophie de l’hippocampe et l’occurrence des déficits cognitifs. Le deuxième objectif a été d'inspecter l’effet de la surexpression précoce de KCC2 dans le développement des épines dendritiques de l’hippocampe. Nous avons ainsi surexprimé KCC2 aussi bien in vitro dans des cultures organotypiques d’hippocampe, qu' in vivo par électroporation in utero. À l'inverse des résultats publiés dans le cortex, nous avons observé une diminution de la densité d’épines dendritiques et une augmentation de la taille des épines. Afin de confirmer la spécificité du rôle de KCC2 face à la région néocorticale étudiée, nous avons surexprimé KCC2 dans le cortex par électroporation in utero. Cette manipulation a eu pour conséquences d’augmenter la densité et la longueur des épines synaptiques de l’arbre dendritique des cellules glutamatergiques. En conséquent, ces résultats ont démontré pour la première fois, que les modifications de l’expression de KCC2 sont spécifiques à la région affectée. Ceci souligne les obstacles auxquels nous faisons face dans le développement de thérapie adéquat pour l’épilepsie ayant pour but de moduler l’expression de KCC2 de façon spécifique.

Elucidating the cis-regulatory landscape of retinal development and regeneration

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-04

Conotoxins as selective inhibitors of neuronal ion channels, receptors and transporters

Cone snails have evolved a vast array of peptide toxins for prey capture and defence. These peptides are directed against a wide variety of pharmacological targets, making them an invaluable source of ligands for studying the properties of these targets in normal and diseased states. A number of these peptides have shown efficacy in vivo, including inhibitors of calcium channels, the norepinephrine transporter, nicotinic acetylcholine receptors, NMDA receptors and neurotensin receptors, with several having undergone pre-clinical or clinical development for the treatment of pain.

Changes in neuronal protein 22 expression and cytoskeletal association in the alcohol-dependent and withdrawn rat brain

The action of alcohol on neuronal pathways has been an issue of increasing research focus, with numerous findings contradicting the previously accepted idea that its effect is nonspecific. The human NP22 (hNP22) gene was revealed by its elevated expression in the frontal cortex of the human alcoholic. The sequences of hNP22 and the rat orthologue rNP22 contain a number of domains consistent with those of cytoskeletal-interacting proteins. Localization of rNP22 is restricted to the cytoplasm and processes of neurons and it colocalizes with elements of the microfilament and microtubule matrices including filamentous actin (F-actin), alpha-tubulin, tau, and microtubule-associated protein 2 (MAP2). Withdrawal of Wistar rats after alcohol dependence induced by alcohol vapor produced elevated levels of rNP22 mRNA and protein in the cortex, CA2, and dentate gyrus regions of the hippocampus. In contrast, there was decreased rNP22 expression in the striatum after chronic ethanol exposure. Chronic ethanol exposure did not markedly alter rNP22 colocalization with F-actin, alpha-tubulin, or MAP2, although colocalization at the periphery of the neuronal soma with F-actin was observed only after chronic ethanol exposure and withdrawal. Rat NP22 colocalization with MAP2 was reduced during withdrawal, whereas association with alpha-tubulin and actin was maintained. These findings suggest that the effect of chronic ethanol exposure and withdrawal on rNP22 expression is region selective. Rat NP22 may affect microtubule or microfilament function, thereby regulating the neuroplastic changes associated with the development of alcohol dependence and physical withdrawal.

Expression of human neuronal protein 22, a novel cytoskeleton-associated protein, was decreased in the anterior cingulate cortex of schizophrenia

Human neuronal protein 22 (hNP22) is a novel neuron-specific protein featuring numerous motifs previously described in cytoskeleton-associating and signaling proteins. Because previous studies have supported abnormalities in neuronal cytoarchitecture and/or development in the schizophrenia brain, we examined the expression of hNP22 in the anterior cingulate cortex, the hippocampus and the prefrontal cortex of schizophrenic and normal control postmortem brains using high-sensitive immunohistochemistry. Seven schizophrenic and seven age- and sex-matched control brains were examined. The ratio of hNP22-immunopositive cells/total cells was significantly reduced in layer V (p = .020) and layer VI (p = .022) of the anterior cingulate cortex of schizophrenic brain compared with controls. In contrast, there were no significant changes observed in the hippocampus and the prefrontal cortex. These results suggest that altered expression of hNP22 may be associated with modifications in neuronal cytoarchitecture leading to dysregulation of neural signal transduction in the anterior cingulate cortex of the schizophrenia brain.

The role of group I metabotropic glutamate receptor's in neuronal excitotoxicity in Alzheimer's disease

Neurodegenerative diseases such as Huntington's disease, ischemia, and Alzheimer's disease (AD) are major causes of death. Recently, metabotropic glutamate receptors (mGluRs), a group of seven-transmembrane-domain proteins that couple to G-proteins, have become of interest for studies of pathogenesis. Group I mGluRs control the levels of second messengers such as inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) Cal(2+) ions and cAMP. They elicit the release of arachidonic acid via intracellular Ca2+ mobilization from intracellular stores such as mitochondria and endoplasmic reticulum. This facilitates the release of glutamate and could trigger the formation of neurofibrillary tangles, a pathological hallmark of AD. mGluRs regulate neuronal injury and survival, possibly through a series of downstream protein kinase and cysteine protease signaling pathways that affect mitochondrially mediated programmed cell death. They may also play a role in glutamate-induced neuronal death by facilitating Cal(2+) mobilization. Hence, mGluRs have become a target for neuroprotective drug development. They represent a pharmacological path to a relatively subtle amelioration of neurotoxicity because they serve a modulatory rather than a direct role in excitatory glutamatergic transmission.

Robo1 regulates the development of major axon tracts and interneuron migration in the forebrain

The Slit genes encode secreted ligands that regulate axon branching, commissural axon pathfinding and neuronal migration. The principal identified receptor for Slit is Robo ( Roundabout in Drosophila). To investigate Slit signalling in forebrain development, we generated Robo1 knockout mice by targeted deletion of exon 5 of the Robo1 gene. Homozygote knockout mice died at birth, but prenatally displayed major defects in axon pathfinding and cortical interneuron migration. Axon pathfinding defects included dysgenesis of the corpus callosum and hippocampal commissure, and abnormalities in corticothalamic and thalamocortical targeting. Slit2 and Slit1/2 double mutants display malformations in callosal development, and in corticothalamic and thalamocortical targeting, as well as optic tract defects. In these animals, corticothalamic axons form large fasciculated bundles that aberrantly cross the midline at the level of the hippocampal and anterior commissures, and more caudally at the medial preoptic area. Such phenotypes of corticothalamic targeting were not observed in Robo1 knockout mice but, instead, both corticothalamic and thalamocortical axons aberrantly arrived at their respective targets at least 1 day earlier than controls. By contrast, in Slit mutants, fewer thalamic axons actually arrive in the cortex during development. Finally, significantly more interneurons ( up to twice as many at E12.5 and E15.5) migrated into the cortex of Robo1 knockout mice, particularly in both rostral and parietal regions, but not caudal cortex. These results indicate that Robo1 mutants have distinct phenotypes, some of which are different from those described in Slit mutants, suggesting that additional ligands, receptors or receptor partners are likely to be involved in Slit/Robo signalling.