Der PAC1-Rezeptor

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde der PAC1-Rezeptor (Pituitary Adenylate Cyclase Activating-Polypeptide-Rezeptor), ein Mitglied der VIP-Glucagon-Rezeptorfamilie, aus Sf21-Insektenzellen angereichert. Zur Überexpression wurde das Baculovirussystem genutzt. Die Expression konnte um das 20fache gegenüber natürlichem Gewebe gesteigert werden (40 pmol/mg). Das Drosophila-Expressionssystem und die Expression in suspensionsadaptierten HEK-Zellen erwiesen sich dagegen als weniger effizient für die Überexpression des PAC1-Rezeptors. Der PAC1-Rezeptor wurde mit Digitonin aus den Sf21-Zellmembranen solubilisiert und mittels eines Rhodopsin-Epitops über Antikörperaffinitätschromatographie funktionell angereichert. Der funktionell angereicherte Rezeptor wurde mit einem photoreaktiven und radioaktiven PACAP-Liganden markiert. Anschließend erfolgte der proteolytische Verdau mit Kallikrein. Aufgrund der Zuordnung der radioaktiven Spaltfragmente konnte die Ligandenbindungsstelle im PAC1-Rezeptor auf den N-Terminus und den ersten extrazellulären Loop beschränkt werden. Dieses Ergebnis bestätigt Resultate, die für andere Mitglieder dieser Rezeptorfamilie vorliegen.Alternativ wurde der PAC1-Rezeptor unfunktionell in E.colis überexprimiert und in hohen Maße über ein C-terminales His6-Tag aus Inclusion bodies angereichert. Zudem wurde in dieser Arbeit erstmals ein Einfluss des PAC1-Rezeptors auf die APP-Prozessierung festgestellt. Dies äußerte sich in einem Anstieg der APPsa-Sekretion. Obwohl weitere Untersuchungen über genauere Mechanismen und Wechselwirkungen noch ausstehen, konnte hier gezeigt werden, dass der PAC1-Rezeptor einen positiv regulatorischen Einfluss auf die APPsa-Sekretion besaß. Der PAC1-Rezeptor ist wahrscheinlich ein Stimulator der a-Sekretasen und erstmals in direkten Zusammenhang mit der Alzheimerschen Erkrankung diskutierbar.

Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte

Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind für die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenströme über die Membran und dadurch Membranpotentialänderungen hervor. Diese noxisch induzierten Ströme sind in großem Ausmaß durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist für die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen geklärt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme führen. Hierfür wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin während der Präparation von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Ströme, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen für das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch Überspülen mit 45,3 bis 46,3°C heißer Extrazellularlösung applizierte einsekündige Hitzereize gemessen. Dabei ließen sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einwärtsströme von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone für zwei Sekunden mit Extrazellularlösung überspült, die Kontrolllösung, 0,5 μM Capsaicin, 10 μM Natriumnitroprussid oder 10 μM YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Strömen in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die für den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 μM löst Capsaicin für zwei Sekunden einen sehr kleinen Einwärtsstrom von etwa 33 pA aus und führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einwärtsströmen in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausmaß der Sensibilisierung ist proportional zur Größe des capsaicininduzierten Stromes (r=−0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellulären Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Ströme an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erhöhung der intrazellulären freien Calciumkonzentration abhängig. Funktionelle Änderungen der zellulären Funktion werden häufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen gehörende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 führt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazelluläres Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranständige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erklärbar. Durch Applikation zehnsekündiger Hitzereize lässt sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme auslösen, die ebenso ausgeprägt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 μM Capsaicin (p<0,005). Durch das immer größere Verständnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich ständig neue Ansätze für die Entwicklung neuer Analgetika. So könnte durch Modulation spezifischer intrazellulärer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkanälen, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK können der Forschung und später auch der Therapie neue Möglichkeiten eröffnen.

Role of nitric oxide and endocannabinoids in synaptic plasticity in the perirhinal cortex and in visual recognition memory

Introduction and aims of the research Nitric oxide (NO) and endocannabinoids (eCBs) are major retrograde messengers, involved in synaptic plasticity (long-term potentiation, LTP, and long-term depression, LTD) in many brain areas (including hippocampus and neocortex), as well as in learning and memory processes. NO is synthesized by NO synthase (NOS) in response to increased cytosolic Ca2+ and mainly exerts its functions through soluble guanylate cyclase (sGC) and cGMP production. The main target of cGMP is the cGMP-dependent protein kinase (PKG). Activity-dependent release of eCBs in the CNS leads to the activation of the Gαi/o-coupled cannabinoid receptor 1 (CB1) at both glutamatergic and inhibitory synapses. The perirhinal cortex (Prh) is a multimodal associative cortex of the temporal lobe, critically involved in visual recognition memory. LTD is proposed to be the cellular correlate underlying this form of memory. Cholinergic neurotransmission has been shown to play a critical role in both visual recognition memory and LTD in Prh. Moreover, visual recognition memory is one of the main cognitive functions impaired in the early stages of Alzheimer’s disease. The main aim of my research was to investigate the role of NO and ECBs in synaptic plasticity in rat Prh and in visual recognition memory. Part of this research was dedicated to the study of synaptic transmission and plasticity in a murine model (Tg2576) of Alzheimer’s disease. Methods Field potential recordings. Extracellular field potential recordings were carried out in horizontal Prh slices from Sprague-Dawley or Dark Agouti juvenile (p21-35) rats. LTD was induced with a single train of 3000 pulses delivered at 5 Hz (10 min), or via bath application of carbachol (Cch; 50 μM) for 10 min. LTP was induced by theta-burst stimulation (TBS). In addition, input/output curves and 5Hz-LTD were carried out in Prh slices from 3 month-old Tg2576 mice and littermate controls. Behavioural experiments. The spontaneous novel object exploration task was performed in intra-Prh bilaterally cannulated adult Dark Agouti rats. Drugs or vehicle (saline) were directly infused into the Prh 15 min before training to verify the role of nNOS and CB1 in visual recognition memory acquisition. Object recognition memory was tested at 20 min and 24h after the end of the training phase. Results Electrophysiological experiments in Prh slices from juvenile rats showed that 5Hz-LTD is due to the activation of the NOS/sGC/PKG pathway, whereas Cch-LTD relies on NOS/sGC but not PKG activation. By contrast, NO does not appear to be involved in LTP in this preparation. Furthermore, I found that eCBs are involved in LTP induction, but not in basal synaptic transmission, 5Hz-LTD and Cch-LTD. Behavioural experiments demonstrated that the blockade of nNOS impairs rat visual recognition memory tested at 24 hours, but not at 20 min; however, the blockade of CB1 did not affect visual recognition memory acquisition tested at both time points specified. In three month-old Tg2576 mice, deficits in basal synaptic transmission and 5Hz-LTD were observed compared to littermate controls. Conclusions The results obtained in Prh slices from juvenile rats indicate that NO and CB1 play a role in the induction of LTD and LTP, respectively. These results are confirmed by the observation that nNOS, but not CB1, is involved in visual recognition memory acquisition. The preliminary results obtained in the murine model of Alzheimer’s disease indicate that deficits in synaptic transmission and plasticity occur very early in Prh; further investigations are required to characterize the molecular mechanisms underlying these deficits.

Identifizierung und Quantifizierung der Ketocarotinoide in Dauerstadien von Grünalgen und Ketocarotinoidbiosynthese im Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii

Grünalgen bilden zur Überdauerung schlechter Umweltbedingungen Ruhestadien, die sich durch Ausbildung einer festen Zellwand, die Reduktion des Plastiden und die starke Akkumulation von Speicherfetten und Ketocarotinoiden im Zytosol auszeichnen. Obwohl Ketocarotinoide in Grünalgen seit über vierzig Jahren beforscht werden, gab es hierzu noch wenige molekularbiologische Untersuchungen. Im Vorfeld meiner Promotion wurde durch unsere Arbeitsgruppe entdeckt, dass auch der molekular gut zugängliche Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii im Zygotenstadium große Mengen an Ketocarotinoiden bildet. Neben dem zu erwartenden Ketocarotinoid Astaxanthin fanden wir große Mengen des bisher nur in einer Grünalge beschriebenen 4-Ketoluteins. Vorversuche ließen die Vermutung aufkommen, dass dieses Pigment bei der Untersuchung der Pigmentausstattung in Dauerstadien von vielen Grünalgen bisher übersehen wurde. rnIn der vorliegenden Arbeit wurde daher zunächst die Pigmentzusammensetzung von Dauerstadien der bereits gut untersuchten Grünalgen Muriella zofingiensis und Scenedesmus rubescens durch Vergleich mit dem Ketocarotinoidmuster aus Dauerstadien von C. reinhardtii und Fritschiella tuberosa reevaluiert und dabei erstmals das Vorkommen signifikanter Mengen an 4-Ketolutein nachgewiesen. Außerdem zeigte sich, dass die als bisheriger Modellorganismus der Ketocarotinoidbiosynthese in Grünalgen sehr gut untersuchte Alge Haematococcus pluvialis eher eine Ausnahme darstellt, da ihre Dauerstadien als einzige der hier untersuchten Algen nur minimale Mengen von 4 Ketolutein aufwiesen. Diese Beobachtungen machen es sehr wahrscheinlich, dass die Fähigkeit zur Bildung von 4-Ketolutein unter den Grünalgen wesentlich weiter verbreitet ist als bisher angenommen. Das sekundäre Carotinoid 4-Ketolutein kam in den Dauerstadien der Grünalgen neben seiner freien Form ausschließlich als Monoacylester vor, im Gegensatz zu Astaxanthin, das als mono- und diacylierte Form auftrat. rnÜber die Analyse der Pigmentausstattung hinaus konnten die entscheidenden Schritte des Synthesewegs der Ketocarotinoide in C. reinhardtii durch funktionelle Charakterisierung der beteiligten Enzyme in Bakterien aufgeklärt werden. Als Basis für die Charakterisierungen wurde ein umfangreiches Portfolio von carotinogenen E. coli-Bakterien etabliert, darunter α Carotin und Lutein produzierende Stämme, die bisher nicht zur Verfügung standen. Das wurde durch die Klonierung der Lycopinzyklase (OluLCY) aus der Grünalge Ostreococcus lucimarinus möglich, die eine Sonderolle unter den Zyklasen einnimmt, da sie die Lycopin-β-Zyklase und Lycopin-ε-Zyklase in einem Fusionsenzym vereint. Vorteile dieses Fusionsenzyms sind die Expressionskontrolle durch nur einen Promotor und die weitgehend konstante Stöchiometrie seiner Produkte α-Carotin und β-Carotin, was die OluLCY für die biotechnologische Anwendung prädestiniert.rnDie funktionelle Charakterisierung der Carotinoidbiosyntheseenzyme aus C. reinhardtii umfasste das Schlüsselenzym der Ketocarotinoidbiosynthese, die β-Carotin-Ketolase (BKT), sowie die Carotinoid-Hydroxylasen CHYB, CYP97A5 und CYP97C3. Dabei wurde für das BKT-Enzym aus C. reinhardtii nachgewiesen, dass es nicht nur die Ketolierung von β Carotin zu Canthaxanthin und von Zeaxanthin zu Astaxanthin, sondern auch die Bildung der von α-Carotin abgeleiteten Ketocarotinoide wie 4-Keto-α-Carotin und 4 Ketolutein katalysieren kann.rn

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

Motorisches Lernen in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Arbeit wurden die durch Training induzierten motorischen Gedächtnisleistungen der Taufliege Drosophila melanogaster beim Überklettern von acht symmetrisch verteilten Lücken auf einem rotierenden Ring untersucht. Durch den auf sie einwirkenden optischen Fluss der vorbeiziehenden äußeren Umgebung wurden die Fliegen angeregt, diesem optomotorischen Reiz entgegenzuwirken und die Lücken laufend zu überqueren. Durch Training verbessert und langfristig gelernt wird die kompensatorische Lückenüberquerung X+ gegen die Rotation. In der aus diesem Training erhaltenen Lernkurve war eine überdurchschnittlich hohe Leistungsverbesserung nach einem einzigen Trainingslauf mit einem zeitlichen Bestand von ca. 40 Minuten abzulesen, um danach vom motorischen Gedächtnisspeicher trainierter Fliegen nicht mehr abgerufen werden zu können. Nach einer Ruhephase von einem bis mehreren Tagen wurden die Fliegen auf mögliche Langzeitlernleistungen untersucht und diese für verschiedene Intervalle nachgewiesen. Sowohl die Leistungsverbesserung während des Trainings, als auch der Lerneffekt nach 24h bleiben in mutanten rutabaga2080 sowie rut1 Fliegen aus. Betroffen ist das Gen der Adenylylzyklase I, ein Schlüsselprotein der cAMP-Signalkaskade, die u.a. im olfaktorischen und visuellen Lernen gebraucht wird. Damit ergab sich die Möglichkeit die motorischen Gedächtnisformen durch partielle Rettung zu kartieren. Die motorische Gedächtniskonsolidierung ist schlafabhängig. Wie sich herausstellte, benötigen WTB Fliegen nur eine Dunkelphase von 10h zwischen einem ersten Trainingslauf und einem Testlauf um signifikante Leistungssteigerungen zu erzielen. In weiterführenden Versuchen wurden die Fliegen nachts sowie tagsüber mit einer LED-Lampe oder in einer Dunkelkammer, mit einem Kreisschüttler oder einer Laborwippe depriviert, mit dem Ergebnis, dass nur jene Fliegen ihre Leistung signifikant gegenüber einem ersten Trainingslauf verbessern konnten, welche entweder ausschließlich der Dunkelheit ausgesetzt waren oder welchen die Möglichkeit gegeben wurde, ein Gedächtnis zunächst in einer natürlichen Schlafphase zu konsolidieren (21Uhr bis 7Uhr MEZ). In weiteren Experimenten wurden die experimentellen Bedingungen entweder während des Trainings oder des Tests auf eine Fliege und damit verbunden auf eine erst durch das Training mögliche motorische Gedächtniskonsolidierung einwirken zu können, untersucht. Dazu wurden die Experimentparameter Lückenweite, Rotationsrichtung des Lückenringes, Geschwindigkeit des Lückenringes sowie die Verteilung der acht Lücken auf dem Ring (symmetrisch, asymmetrisch) im Training oder beim Gedächtnisabruf im Testlauf verändert. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass die Lückenweite langzeitkonsolidiert wird, die Rotationsrichtung kurzzeitig abgespeichert wird und die Drehgeschwindigkeit motivierend auf die Fliegen wirkt. Die symmetrische Verteilung der Lücken auf dem Ring dient der Langzeitkonsolidierung und ist als Trainingseingang von hoher Wichtigkeit. Mit Hilfe verschiedener Paradigmen konnten die Leistungsverbesserungen der Fliegen bei Abruf eines Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses hochauflösend betrachtet werden (Transfer). Die Konzentration, mit der eine WTB Fliege eine motorische Aufgabe - die Überquerung von Lücken entgegengesetzt der Rotationsrichtung - durchführt, konnte mit Hilfe von Distraktoreizen bestimmt werden. Wie sich herausstellte, haben Distraktoren einen Einfluss auf die Erfolgsquote einer Überquerung, d.h. mit zunehmender Distraktionsstärke nahm die Wahrscheinlichkeit einer Lückenüberquerung ab. Die Ablenkungsreize wirkten sich weiterhin auf die Vermessung einer Lücke aus, in dem entweder "peering"-artigen Bewegungen im Training durchgeführt wurden oder je nach Reizstärke ausschließlich nur jene Lücken vermessen wurden, welche auch überquert werden sollten.

Induction of RAGE shedding by activation of G-protein-coupled receptors

The multiligand Receptor for Advanced Glycation End products (RAGE) is involved in various pathophysiological processes, including diabetic inflammatory conditions and Alzheimers disease. Full-length RAGE, a cell surface-located type I membrane protein, can proteolytically be converted by metalloproteinases ADAM10 and MMP9 into a soluble RAGE form. Moreover, administration of recombinant soluble RAGE suppresses activation of cell surface-located RAGE by trapping RAGE ligands. Therefore stimulation of RAGE shedding might have a therapeutic value regarding inflammatory diseases. We aimed to investigate whether RAGE shedding is inducible via ligand-induced activation of G protein-coupled receptors (GPCRs). We chose three different GPCRs coupled to distinct signaling cascades: the V2 vasopressin receptor (V2R) activating adenylyl cyclase, the oxytocin receptor (OTR) linked to phospholipase Cβ, and the PACAP receptor (subtype PAC1) coupled to adenylyl cyclase, phospholipase Cβ, calcium signaling and MAP kinases. We generated HEK cell lines stably coexpressing an individual GPCR and full-length RAGE and then investigated GPCR ligand-induced activation of RAGE shedding. We found metalloproteinase-mediated RAGE shedding on the cell surface to be inducible via ligand-specific activation of all analyzed GPCRs. By using specific inhibitors we have identified Ca2+ signaling, PKCα/PKCβI, CaMKII, PI3 kinases and MAP kinases to be involved in PAC1 receptor-induced RAGE shedding. We detected an induction of calcium signaling in all our cell lines coexpressing RAGE and different GPCRs after agonist treatment. However, we did not disclose a contribution of adenylyl cyclase in RAGE shedding induction. Furthermore, by using a selective metalloproteinase inhibitor and siRNAmediated knock-down approaches, we show that ADAM10 and/or MMP9 are playing important roles in constitutive and PACAP-induced RAGE shedding. We also found that treatment of mice with PACAP increases the amount of soluble RAGE in the mouse lung. Our findings suggest that pharmacological stimulation of RAGE shedding might open alternative treatment strategies for Alzheimers disease and diabetes-induced inflammation.

Agonist-biased signaling at the sst2A receptor: the multi-somatostatin analogs KE108 and SOM230 activate and antagonize distinct signaling pathways

Somatostatin analogs that activate the somatostatin subtype 2A (sst2A) receptor are used to treat neuroendocrine cancers because they inhibit tumor secretion and growth. Recently, new analogs capable of activating multiple somatostatin receptor subtypes have been developed to increase tumor responsiveness. We tested two such multi-somatostatin analogs for functional selectivity at the sst2A receptor: SOM230, which activates sst1, sst2, sst3, and sst5 receptors, and KE108, which activates all sst receptor subtypes. Both compounds are reported to act as full agonists at their target sst receptors. In sst2A-expressing HEK293 cells, somatostatin inhibited cAMP production, stimulated intracellular calcium accumulation, and increased ERK phosphorylation. SOM230 and KE108 were also potent inhibitors of cAMP accumulation, as expected. However, they antagonized somatostatin stimulation of intracellular calcium and behaved as partial agonists/antagonists for ERK phosphorylation. In pancreatic AR42J cells, which express sst2A receptors endogenously, SOM230 and KE108 were both full agonists for cAMP inhibition. However, although somatostatin increased intracellular calcium and ERK phosphorylation, SOM230 and KE108 again antagonized these effects. Distinct mechanisms were involved in sst2A receptor signaling in AR42J cells; pertussis toxin pretreatment blocked somatostatin inhibition of cAMP accumulation but not the stimulation of intracellular calcium and ERK phosphorylation. Our results demonstrate that SOM230 and KE108 behave as agonists for inhibition of adenylyl cyclase but antagonize somatostatin's actions on intracellular calcium and ERK phosphorylation. Thus, SOM230 and KE108 are not somatostatin mimics, and their functional selectivity at sst2A receptors must be considered in clinical applications where it may have important consequences for therapy.

Mutagenesis and computer modeling studies of a GPCR conserved residue W5.43(194) in ligand recognition and signal transduction for CB2 receptor

W5.43(194), a conserved tryptophan residue among G-protein coupled receptors (GPCRs) and cannabinoid receptors (CB), was examined in the present report for its significance in CB2 receptor ligand binding and adenylyl cyclase (AC) activity. Computer modeling postulates that this site in CB2 may be involved in the affinity of WIN55212-2 and SR144528 through aromatic contacts. In the present study, we reported that a CB2 receptor mutant, W5.43(194)Y, which had a tyrosine (Y) substitution for tryptophan (W), retained the binding affinity for CB agonist CP55940, but reduced binding affinity for CB2 agonist WIN55212-2 and inverse agonist SR144528 by 8-fold and 5-fold, respectively; the CB2 W5.43(194)F and W5.43(194)A mutations significantly affect the binding activities of CP55940, WIN55212-2 and SR144528. Furthermore, we found that agonist-mediated inhibition of the forskolin-induced cAMP production was dramatically diminished in the CB2 mutant W5.43(194)Y, whereas W5.43(194)F and W5.43(194)A mutants resulted in complete elimination of downstream signaling, suggesting that W5.43(194) was essential for the full activation of CB2. These results indicate that both aromatic interaction and hydrogen bonding are involved in ligand binding for the residue W5.43(194), and the mutations of this tryptophan site may affect the conformation of the ligand binding pocket and therefore control the active conformation of the wild type CB2 receptor. W5.43(194)Y/F/A mutations also displayed noticeable enhancement of the constitutive activation probably attributed to the receptor conformational changes resulted from the mutations.

Contractile performance of adult ventricular rat cardiomyocytes is not directly jeopardized by NO/cGMP-dependent induction of pro-apoptotic pathways

The activation of NO/cGMP pathways can induce pro-apoptotic pathways in cardiomyocytes although only a small number of cardiomyocytes fulfill the criteria of apoptosis. The same pathways reduce the contractile performance of cardiomyocytes. In the present study, we tested the hypothesis that exposure of cells to NO/cGMP for 24 h decrease their contractile performance due to an activation of pro-apoptotic pathways. Experiments were performed on freshly isolated and cultured adult ventricular rat cardiomyocytes. Cells were incubated with 8-bromo-cyclo-GMP (100 nmol/L-1 micromol/L), the NO donor SNAP (1 nmol/L-100 micromol/L), or the guanylyl cyclase activator YC-1 (3 micromol/L). Cell shortening, contraction and relaxation velocities, and diastolic cell lengths were determined at beating frequencies of 0.5, 1, and 2 Hz 24 h later. The activation of pro-apoptotic pathways was determined by staining of cardiomyocytes with an antibody directed against active caspase-3 and quantification of the number of apoptotic cells (annexin staining). Caspase-3 activation and an increase in the number of apoptotic cells was observed, but only at the highest concentrations tested (8-bromo-cyclo-GMP: 1-10 mmol/L; SNAP: 1-100 micromol/L). At these concentrations, none of the drugs decreased the mean cell shortening of cardiomyocytes. However, at concentrations lower than those required for induction of apoptotic cell death, the diastolic cell lengths and sarcomere lengths increased but cell shortening decreased. In conclusion, low concentrations of either NO or cGMP cause a desensitization of myofibrils, as indicated by elongated cell shapes, increased sarcomere lengths and reduced load-free cell shortening. High concentrations of NO/cGMP induce caspase-3 activation and increase the number of cells fulfilling the criteria of apoptotic cell death but did not impair cell function. Therefore, induction of apoptotic cell death per se seems not to contribute to the loss of contractile efficiency on the cellular level.

Impaired vascular function in normoglycemic mice prone to autoimmune diabetes: role of nitric oxide

Type 1 diabetes is an immuno-inflammatory condition which increases the risk of cardiovascular disease, particularly in young adults. This study investigated whether vascular function is altered in mice prone to autoimmune diabetes and whether the nitric oxide (NO)-cyclic GMP axis is involved. Aortic rings suspended in organ chambers and precontracted with phenylephrine were exposed to cumulative concentrations of acetylcholine. To investigate the role of NO, some experiments were performed in the presence of either 1400W (N-(3-aminomethyl)benzyl-acetamidine hydrochloride), a selective inhibitor of the iNOS-isoform, L-NAME (N(G)-nitro-L-arginine methyl ester hydrochloride), an inhibitor of all three NOS-isoforms, or ODQ (1H-[1,2,4]oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-1-one), a selective inhibitor of guanylate cyclase. Moreover, contractility to phenylephrine, big endothelin-1, and endothelin-1 was assessed and histological analysis and iNOS immunohistochemistry were performed. Endothelium-dependent relaxation was reduced in prediabetic NOD mice (78+/-4 vs. 88+/-2%, respectively, P<0.05 vs. control) despite normal plasma glucose levels (n.s. vs. control). Preincubation with 1400W further attenuated responses in prediabetic (P<0.05 vs. untreated) but not in diabetic or in control mice. In contrast, basal NO bioactivity remained unaffected until the onset of diabetes in NOD mice. Contractile responses to big endothelin-1 and endothelin-1 were reduced in prediabetic animals (P<0.05 vs. control), whereas in diabetic mice only responses to big endothelin-1 were decreased (P<0.05 vs. control). These data demonstrate that endothelium-dependent and -independent vascular function in NOD mice is abnormal already in prediabetes in the absence of structural injury. Early proinflammatory activation due to iNOS in diabetes-prone NOD mice appears to be one of the mechanisms contributing to impaired vasoreactivity.

Neutrophil apoptosis mediated by nicotinic acid receptors (GPR109A)

G protein-coupled receptor (GPR)109A (HM74A) is a G(i) protein-coupled receptor, which is activated by nicotinic acid (NA), a lipid-lowering drug. Here, we demonstrate that mature human neutrophils, but not eosinophils, express functional GPR109A receptors. The induction of the GPR109A gene appears to occur late in the terminal differentiation process of neutrophils, since a mixed population of immature bone marrow neutrophils did not demonstrate evidence for its expression. NA accelerated apoptosis in cultured neutrophils in a concentration-dependent manner, as assessed by phosphatidylserine redistribution, caspase-3 activation, and DNA fragmentation assays. The pro-apoptotic effect of NA was abolished by pertussis toxin, which was used to block G(i) proteins, suggesting a receptor-mediated mechanism. Activation of GPR109A by NA resulted in decreased levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP), most likely due to G(i)-mediated inhibition of adenylyl cyclase activity. NA-induced apoptosis was reversed by the addition of cell-permeable cAMP, pointing to the possibility that reduced cAMP levels promote apoptosis in neutrophils. Distal mechanism involved in this process may include the post-translational modification of members of the Bcl-2 family, such as dephosphorylation of pro-apoptotic Bad and antiapoptotic Mcl-1 proteins. Taken together, following maturation in the bone marrow, neutrophils express functional GPR109A receptors, which might be involved in the regulation of neutrophil numbers. Moreover, this study identified a new cellular target of NA and future drugs activating GPR109A receptors, the mature neutrophil.

Olfactory bulb interneurons releasing NO exhibit the Reelin receptor ApoEr2 and part of those targeted by NO express Reelin

Nitric oxide (NO) and Reelin both modulate neuronal plasticity in developing and mature synaptic networks. We recently showed a loss of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) protein in the olfactory bulb of reeler mutants and advanced the hypothesis that the Reelin and NO signalling pathways may influence each other. We now studied the distribution of NO sensitive guanylyl cyclase (NOsGC), Reelin and its receptor Apolipoprotein E2 (ApoEr2) in the olfactory bulb by multiple fluorescence labelling and tested whether nNOS and ApoEr2 colocalize in this area. We also essayed the protein content of NOsGC in the reeler olfactory bulb and tested whether there are any changes in nNOS and NOsGC protein in other reeler brain areas. Olfactory bulb interneurons expressing ApoEr2 and nNOS are only few in the glomerular layer but represent the large majority of granule cell layer interneurons. Conversely, NOsGC interneurons are rare in the granule cell layer and abundant as periglomerular cells. Reelin containing periglomerular cells almost entirely belong to the NOsGC subset. These data further support the hypothesis of a reciprocal signalling between Reelin/NOsGC and ApoEr2/nNOS expressing neurons to affect olfactory bulb activity. We also show that a significant rise in NOsGC content accompanies the decrease of nNOS protein in the reeler olfactory bulb. The same reciprocal changes present in the cortex/striatum and the hippocampus of reeler mice. Thus, the influence that the deficit of extracellular Reelin seems to exert on nNOS and its receptor is not limited to the olfactory bulb but is a general feature of the reeler brain.

Three members of the connective tissue growth factor family CCN are differentially regulated by mechanical stress

Expression of connective tissue growth factor (CTGF), a member of the CCN gene family, is known to be significantly induced by mechanical stress. We have therefore investigated whether other members of the CCN gene family, including Cyr61 and Nov, might reveal a similar stress-dependent regulation. Fibroblasts growing under stressed conditions within a three-dimensional collagen gel showed at least a 15 times higher level of Cyr61 mRNA than cells growing under relaxed conditions. Upon relaxation, the decline of the Cyr61 mRNA to a lower level occurred within 2 h, and was thus quicker than the response of CTGF. The regulation was fully reversible when stress was reapplied. Thus, Cyr61 represents another typical example of a stress-responsive gene. The level of the Nov mRNA was low in the stressed state, but increased in the relaxed state. This CCN gene therefore shows an inverted regulation relative to that of Cyr61 and CTGF. Inhibition of protein kinases by means of staurosporine suppressed the stress-induced expression of Cyr61 and CTGF. Elevated levels of cAMP induced by forskolin mimicked the effects of relaxation on the regulation of Cyr61, CTGF and Nov. Thus, adenylate cyclase as well as one or several protein kinases might be involved in the mechanoregulation of these CCN genes.

Non-Hebbian Long-Term Potentiation of Inhibitory Synapses in the Thalamus

The thalamus integrates and transmits sensory information to the neocortex. The activity of thalamocortical relay (TC) cells is modulated by specific inhibitory circuits. Although this inhibition plays a crucial role in regulating thalamic activity, little is known about long-term changes in synaptic strength at these inhibitory synapses. Therefore, we studied long-term plasticity of inhibitory inputs to TC cells in the posterior medial nucleus of the thalamus by combining patch-clamp recordings with two-photon fluorescence microscopy in rat brain slices. We found that specific activity patterns in the postsynaptic TC cell induced inhibitory long-term potentiation (iLTP). This iLTP was non-Hebbian because it did not depend on the timing between presynaptic and postsynaptic activity, but it could be induced by postsynaptic burst activity alone. iLTP required postsynaptic dendritic Ca2+ influx evoked by low-threshold Ca2+ spikes. In contrast, tonic postsynaptic spiking from a depolarized membrane potential (−50 mV), which suppressed these low-threshold Ca2+ spikes, induced no plasticity. The postsynaptic dendritic Ca2+ increase triggered the synthesis of nitric oxide that retrogradely activated presynaptic guanylyl cyclase, resulting in the presynaptic expression of iLTP. The dependence of iLTP on the membrane potential and therefore on the postsynaptic discharge mode suggests that this form of iLTP might occur during sleep, when TC cells discharge in bursts. Therefore, iLTP might be involved in sleep state-dependent modulation of thalamic information processing and thalamic oscillations.