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.

A study of the electrical basis for the inhibition and excitation in autonomically innervated smooth muscle

The aim of this thesis was to investigate the electrical and mechanical responses to inhibitory non-adrenergic noncholinergic (NANC) nerve stimulation in the bovine retractor penis muscle (BRP) and compare them with those to an inhibitory extract made from this muscle. The extract may contain the NANC inhibitory transmitter of the BRP and possibly of other smooth muscles. Because of species differences in the electrical response to NANC nerves in the rat and rabbit anococcygeus the effects of the extract on these tissues was also investigated. Prior to the investigation of the extract, both the excitatory and inhibitory responses to field stimulation in the BRP, and the effects of passive membrane potential displacement were studied using conventional intra- or extracellular (sucrose gap) recording techniques. The majority of cells in the BRP were electrically quiescent independent of the resting tone. The most frequent (in approximately 25% of preparations) form of spontaneous activity, oscillations in membrane potential and tone, may represent a pacemaker activity. The BRP had cable properties; the time constant and space constant indicated a high membrane resistance. In the absence of tone, field stimulation of the BRP evoked excitatory junction potentials (ejps) in every cell impaled and contractions, graded with the strength, frequency and number of pulses; spikes were not observed. Guanethidine (1-3 x 10-5M) abolished the ejps and contractions, confirming their adrenergic origin. Noradrenaline added exogenously depolarised and contracted the muscle. These effects were blocked by the a-adrenoceptor antagonists, phentolamine and prazosin. However, phentolamine (2.5x 10-6M) inhibited the contraction without reducing the ejp significantly. These effects may be independent of adrenoceptor blockade or the ejp may be mediated by a substance other than noradrenaline (e.g. ATP) released from adrenergic nerves. Prazosin (1.4 x lO-6M) failed to block either the ejp or contraction, indicating the possible existence of two types of adrenoceptor in the BRP; one activated by neuronally-released and the other by exogenously-added noradrenaline. ATP, a contaminant in the extract, also depolarised and contracted the BRP. Physostigmine reduced whilst atropine enhanced the ejps and contractions without similarly affecting the response to exogenous noradrenaline. This confirmed the presence of a cholinergic inhibitory innervation acting on the excitatory adrenergic fibres (Klinge and Sjostrand, 1977). TEA (1 x lO-4M) enhanced the ejp and contraction. Higher concentrations (0.5 to 10 x 10-3M) depolarised, increased the tone and evoked electrical and mechanical oscillations but no spikes. The depolarisation and contraction to exogenous noradrenaline were not enhanced, indicating that TEA acts on the adrenergic nerves. Some post-synaptic effect to block K+ channels also seems likely. The relationship between ejp amplitude and membrane potential in the double sucrose gap was linear and indicated a reversal potential more positive than -30mV. Electrotonic pulse amplitude decreased during the ejp, indicating an increased membrane conductance. Ejps and contractions were reduced following the replacement of the NaCl of the Krebs solution with sodium glutamate. This may be due to the effects of glutamate itself (e.g. Ca2+ chelation) rather than reduction in the membrane Cl- gradient. Tone usually developed spontaneously and was accompanied by membrane depolarisation (from -53 to -45mV) which may open voltage-dependent channels, causing Ca2+ entry and/or its release from intracellular binding sites. Field stimulation produced inhibitory potentials (ijps) and relaxations graded with the strength and number of pulses but showing little frequency dependence. Rebound depolarisation and contraction often followed the ijp and relaxation. Tetrodotoxin (3 x IO-6M), but not adrenergic or cholinergic antagonists, abolished the ijp and relaxation, confirming their non-adrenergic non-cholinergic neurogenic nature. The extract, prepared and acid-activated as described by Gillespie, Hunter and Martin (1981), hyperpolarised and relaxed the BRP, as did sodium nitroprusside and adenosine triphosphate (ATP). Unlike the activated extract or sodium nitroprusside, desensitisation to ATP occurred rapidly and without any change in the inhibitory electrical or mechanical responses to field stimulation. The ijp and relaxation in the BRP were insensitive to apamin but abolished by oxyhaemoglobin (4-8 x 10-6M), as were the responses to extract and sodium nitroprusside. In TEA (10-2M), field stimulation evoked relaxations with no accompanying electrical change. The ijp may be unconnected with or additional to another mechanism producing relaxation. The relationship between membrane potential and ijp in the BRP was non-linear. Ijp amplitude was initially increased during membrane potential displacement from -45mV to approximately -60mV. Thereafter (-60 to -l03mV) the ijp was reduced. Ijps were abolished at -27 and -103mV; reversal was not observed. The hyperpolarisation to extract was also enhanced during passive displacement of the membrane potential to more negative values (-57mV). Membrane resistance increased during the ijp. The extract produced inconsistent changes in membrane resistance, possibly because of the presence of more than one active component. K+ withdrawal failed to enhance the ijp or hyperpolarisation to extract and 20mM K+ did not abolish the the ijp at membrane potentials exceeding EK (-49mV). Thus, the ijp or hyperpolarisation to extract are unlikely to be mediated by an increased K+ conductance. Reducing the Cl- abolished the hyperpolarisation to field stimulation and extract. This occurred more quickly than the anticipated reduction in the Cl- gradient and may be due to Ca2+ chelation by the anion substitute (glutamate or benzenesulphonate) or blockade of the resting conductance which is normally inactivated by the transmitter. Ouabain (1-5x 10-5M), which reduces both the Na+ and Cl- gradients, abolished the ijp, implicating either of these ions as the ionic species involved. In the rat and rabbit anococcygeus, field stimulation and extract each reduced guanethidine-induced tone. This was unaccompanied in the majority of cells in the rat by any significant electrical response. In the remaining cells, inhibition of the membrane potential oscillations occurred. The rabbit anococcygeus differed in that inhibition of the electrical oscillations was observed in every cell exhibiting this behaviour. However, the majority of cells in the rabbit were electrically quiescent and showed only small hyperpolarisations to field stimulation and no electrical response to extract. Apamin (1 x 10-7M) failed to block the electrical and mechanical response to field stimulation in the rabbit but did inhibit transiently that to extract. The latter effect may be due to the initial excitatory effects of apamin. The similarities between the electrical effects of the extract and those of inhibitory nerve stimulation in the BRP, rat and rabbit anococcygeus muscles are generally consistent with their being mediated by the same active component. Moreover, the ijp in the BRP shows properties which have not been reported in other non-adrenergic noncholinergically innervated smooth muscles.

Renal and cardiovascular effects of Bothrops marajoensis venom and phospholipase A(2)

Bothrops marajoensis is found in the savannah of Marajo Island in the State of Par S and regions of Amapa State, Brazil. The aim of the work was to study the renal and cardiovascular effects of the B. marajoensis venom and phospholipase A(2) (PLA(2)). The venom was fractionated by Protein Pack 5PW. N-terminal amino acid sequencing of sPLA(2) showed amino acid identity with other lysine K49sPLA(2)s of snake venom. B. marajoensis venom (30 mu g/mL) decreased the perfusion pressure, renal vascular resistance, urinary flow, glomerular filtration rate and sodium tubular transport. PLA(2) did not change the renal parameters. The perfusion pressure of the mesenteric bed did not change after infusion of venom. In isolated heart, the venom decreased the force of contraction and increased PP but did not change coronary flow. In the arterial pressure, the venom and PLA(2) decreased mean arterial pressure and cardiac frequency. The presence of atrial flutter and late hyperpolarisation reversed, indicating QRS complex arrhythmia and dysfunction in atrial conduction. In conclusion, B. marajoensis venom and PLA(2) induce hypotension and bradycardia while simultaneously blocking electrical conduction in the heart. Moreover, the decrease in glomerular filtration rate, urinary flow and electrolyte transport demonstrates physiological changes to the renal system. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.