Hypotensive and vasorelaxing effects of the new NO-donor [Ru(terpy)(bdq)NO+](3+) in spontaneously hypertensive rats

Drugs that release nitric oxide (NO) usually have limitations due to their harmful effects. Sodium nitroprusside (SNP) induces a rapid hypotension that leads to reflex tachycardia, which could be an undesirable effect in patients with heart disease, a common feature of hypertension. The nitrosyl ruthenium complex [Ru(terpy)(bdq)NO+](3+) (TERPY) is a NO donor that is less potent than SNP in denuded aortic rings. This study evaluated the hypotension and vasorelaxation induced by this NO donor in Wistar (W) and spontaneously hypertensive rats (SHR) and compared to the results obtained with SNP. Differently from the hypotension induced by SNP, the action of TERPY was slow, long lasting and it did not lead to reflex tachycardia in both groups. The hypotension induced by the NO-donors was more potent in SHR than in W. TERPY induced relaxation with similar efficacy to SNP, although its potency is lower in both strains. The relaxation induced by TERPY is similar in W and SHR, but SNP is more potent and efficient in SHR. The relaxation induced by TERPY is partially dependent on guanylate cyclase in SHR aorta. The NO released from the NO donors measured with DAF-2 DA by confocal microscopy shows that TERPY releases similar amounts of NO in W and SHR, while SNP releases more NO in SHR aortic rings. (c) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Structure of the PilZ-FimXEAL-c-di-GMP complex responsible for the regulation of bacterial type IV pilus biogenesis

Signal transduction pathways mediated by cyclic-bis(3'→5')-dimeric GMP (c-di-GMP) control many important and complex behaviors in bacteria. C-di-GMP is synthesized through the action of GGDEF domains that possess diguanylate cyclase activity and is degraded by EAL or HD-GYP domains with phosphodiesterase activity. There is mounting evidence that some important c-di-GMP-mediated pathways require protein-protein interactions between members of the GGDEF, EAL, HD-GYP and PilZ protein domain families. For example, interactions have been observed between PilZ and the EAL domain from FimX of Xanthomonas citri (Xac). FimX and PilZ are involved in the regulation of type IV pilus biogenesis via interactions of the latter with the hexameric PilB ATPase associated with the bacterial inner membrane. Here, we present the crystal structure of the ternary complex made up of PilZ, the FimX EAL domain (FimXEAL) and c-di-GMP. PilZ interacts principally with the lobe region and the N-terminal linker helix of the FimXEAL. These interactions involve a hydrophobic surface made up of amino acids conserved in a non-canonical family of PilZ domains that lack intrinsic c-di-GMP binding ability and strand complementation that joins β-sheets from both proteins. Interestingly, the c-di-GMP binds to isolated FimXEAL and to the PilZ-FimXEAL complex in a novel conformation encountered in c-di-GMP-protein complexes in which one of the two glycosidic bonds is in a rare syn conformation while the other adopts the more common anti conformation. The structure points to a means by which c-di-GMP and PilZ binding could be coupled to FimX and PilB conformational states

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

Fic domain-catalyzed adenylylation: insight provided by the structural analysis of the type IV secretion system effector BepA

Numerous bacterial pathogens subvert cellular functions of eukaryotic host cells by the injection of effector proteins via dedicated secretion systems. The type IV secretion system (T4SS) effector protein BepA from Bartonella henselae is composed of an N-terminal Fic domain and a C-terminal Bartonella intracellular delivery domain, the latter being responsible for T4SS-mediated translocation into host cells. A proteolysis resistant fragment (residues 10-302) that includes the Fic domain shows autoadenylylation activity and adenylyl transfer onto Hela cell extract proteins as demonstrated by autoradiography on incubation with α-[(32)P]-ATP. Its crystal structure, determined to 2.9-Å resolution by the SeMet-SAD method, exhibits the canonical Fic fold including the HPFxxGNGRxxR signature motif with several elaborations in loop regions and an additional β-rich domain at the C-terminus. On crystal soaking with ATP/Mg(2+), additional electron density indicated the presence of a PP(i) /Mg(2+) moiety, the side product of the adenylylation reaction, in the anion binding nest of the signature motif. On the basis of this information and that of the recent structure of IbpA(Fic2) in complex with the eukaryotic target protein Cdc42, we present a detailed model for the ternary complex of Fic with the two substrates, ATP/Mg(2+) and target tyrosine. The model is consistent with an in-line nucleophilic attack of the deprotonated side-chain hydroxyl group onto the α-phosphorus of the nucleotide to accomplish AMP transfer. Furthermore, a general, sequence-independent mechanism of target positioning through antiparallel β-strand interactions between enzyme and target is suggested.

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.

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.

Natriuretic peptides and nitric oxide stimulate cGMP synthesis in different cellular compartments.

Cyclic nucleotide-gated (CNG) channels are a family of ion channels activated by the binding of cyclic nucleotides. Endogenous channels have been used to measure cyclic nucleotide signals in photoreceptor outer segments and olfactory cilia for decades. Here we have investigated the subcellular localization of cGMP signals by monitoring CNG channel activity in response to agonists that activate either particulate or soluble guanylyl cyclase. CNG channels were heterologously expressed in either human embryonic kidney (HEK)-293 cells that stably overexpress a particulate guanylyl cyclase (HEK-NPRA cells), or cultured vascular smooth muscle cells (VSMCs). Atrial natriuretic peptide (ANP) was used to activate the particulate guanylyl cyclase and the nitric oxide donor S-nitroso-n-acetylpenicillamine (SNAP) was used to activate the soluble guanylyl cyclase. CNG channel activity was monitored by measuring Ca2+ or Mn2+ influx through the channels using the fluorescent dye, fura-2. We found that in HEK-NPRA cells, ANP-induced increases in cGMP levels activated CNG channels in a dose-dependent manner (0.05-10 nM), whereas SNAP (0.01-100 microM) induced increases in cGMP levels triggered little or no activation of CNG channels (P < 0.01). After pretreatment with 100 microM 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX), a nonspecific phosphodiesterase inhibitor, ANP-induced Mn2+ influx through CNG channels was significantly enhanced, while SNAP-induced Mn2+ influx remained small. In contrast, we found that in the presence of IBMX, both 1 nM ANP and 100 microM SNAP triggered similar increases in total cGMP levels. We next sought to determine if cGMP signals are compartmentalized in VSMCs, which endogenously express particulate and soluble guanylyl cyclase. We found that 10 nM ANP induced activation of CNG channels more readily than 100 muM SNAP; whereas 100 microM SNAP triggered higher levels of total cellular cGMP accumulation. These results suggest that cGMP signals are spatially segregated within cells, and that the functional compartmentalization of cGMP signals may underlie the unique actions of ANP and nitric oxide.

Adenine nucleotide-dependent regulation of assembly of bacterial tubulin-like FtsZ by a hypermorph of bacterial actin-like FtsA.

Cytokinesis in bacteria depends upon the contractile Z ring, which is composed of dynamic polymers of the tubulin homolog FtsZ as well as other membrane-associated proteins such as FtsA, a homolog of actin that is required for membrane attachment of the Z ring and its subsequent constriction. Here we show that a previously characterized hypermorphic mutant FtsA (FtsA*) partially disassembled FtsZ polymers in vitro. This effect was strictly dependent on ATP or ADP binding to FtsA* and occurred at substoichiometric levels relative to FtsZ, similar to cellular levels. Nucleotide-bound FtsA* did not affect FtsZ GTPase activity or the critical concentration for FtsZ assembly but was able to disassemble preformed FtsZ polymers, suggesting that FtsA* acts on FtsZ polymers. Microscopic examination of the inhibited FtsZ polymers revealed a transition from long, straight polymers and polymer bundles to mainly short, curved protofilaments. These results indicate that a bacterial actin, when activated by adenine nucleotides, can modify the length distribution of bacterial tubulin polymers, analogous to the effects of actin-depolymerizing factor/cofilin on F-actin.