Cognitive training increases platelet PLA(2) activity in healthy elderly subjects

Phospholipases A(2) (PLA(2)) are ubiquitous enzymes involved in membrane fatty acid metabolism and intracellular signalling. Recent studies have shown that PLA(2) subtypes are implicated in the modulation of pathways related to memory acquisition and retrieval. We investigated the effects of cognitive training on platelet PLA(2) activity in healthy elderly individuals. Twenty-three cognitively unimpaired older adults were randomly assigned to receive memory training or standard outpatient care only. Both groups were cognitively assessed by the same protocol, and the experimental group (EG) underwent a four-session memory training intervention. Pre- and post-test measures included prose and list recall, WAIS-III digit symbol, strategy use measures and platelet PLA(2) group activity. After cognitive training, patients in the EG group had significant increase in cytosolic, calcium-dependent PLA(2) (cPLA(2)), extracellular (or secreted), calcium-dependent PLA(2) (sPLA(2)), total platelet PLA(2) activity, and significant decrease in platelet calcium-independent PLA(2) (iPLA(2)) activity. Our results suggest that memory training may have a modulating effect in PLA(2)-mediated biological systems associated with cognitive functions and neurodegenerative diseases. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mdx myotubes have normal excitability but show reduced contraction-relaxation dynamics.

The pathogenesis of Duchenne muscular dystrophy (DMD), characterised by lack of the cytoskeletal protein dystrophin, is not completely understood. An early event in the degenerative process of DMD muscle could be a rise in cytosolic calcium concentration. In order to investigate whether this leads to alterations of contractile behaviour, we studied the excitability and contractile properties of cultured myotubes from control (C57BL/10) and mdx mice, an animal model for DMD. The myotubes were stimulated electrically and their motion was recorded photometrically. No significant differences were found between control and mdx myotubes with respect to the following parameters: chronaxy and rheobase (0.33 +/- 0.03 ms and 23 +/- 4 V vs. 0.39 +/- 0.07 ms and 22 +/- 2 V for C57 and mdx myotubes, respectively), tetanisation frequency (a similar distribution pattern was found between 5 and 30 Hz), fatigue during tetanus (found in 35% of both types of myotubes) and post-tetanic contracture. In contrast, contraction and relaxation times were longer (P < 0.005) in mdx (36 +/- 2 and 142 +/- 13 ms, respectively) than in control myotubes (26 +/- 1 and 85 +/- 9 ms, respectively). Together with our earlier findings, these results suggest a decreased capacity for calcium removal in mdx cells leading, in particular, to alterations of muscle relaxation.

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.

Effects of the conditioned medium of mesenchymal stem cells on mouse oocyte activation and development

Mesenchymal stem cells (MSCs) have been reported to secrete a variety of cytokines and growth factors acting as trophic suppliers, but little is known regarding the effects of conditioned medium (CM) of MSCs isolated from femurs and tibias of mouse on the artificial activation of mouse oocytes and on the developmental competence of the parthenotes. In the current study, we investigated the effect of CM on the events of mouse oocyte activation, namely oscillations of cytosolic calcium concentration ([Ca²+]i), meiosis resumption, pronucleus formation, and parthenogenetic development. The surface markers of MSCs were identified with a fluorescence-activated cell sorter. The dynamic changes of the spindle and formation of pronuclei were examined by laser-scanning confocal microscopy. Exposure of cumulus-oocyte complexes to CM for 40 min was optimal for inducing oocyte parthenogenetic activation and evoking [Ca²+]i oscillations similar to those evoked by sperm (95 vs 100%; P > 0.05). Parthenogenetically activated oocytes immediately treated with 7.5 µg/mL cytochalasin B (CB), which inhibited spindle rotation and second polar body extrusion, were mostly diploid (93 vs 6%, P < 0.01) while CB-untreated oocytes were mostly haploid (5 vs 83%, P < 0.01). Consequently, the blastocyst rate was higher in the CB-treated than in the CB-untreated oocytes. There was no significant difference in developmental rate between oocytes activated with CM and 7% ethanol (62 vs 62%, P > 0.05), but the developmental competence of the fertilized oocytes was superior to that of the parthenotes (88 vs 62%, P < 0.05). The present results demonstrate that CM can effectively activate mouse oocytes, as judged by the generation of [Ca²+]i oscillations, completion of meiosis and parthenogenetic development.

Activités antidiabétiques et neuroprotectrices du jus de bleuet biostransformé

Le bleuet démontre un potentiel thérapeutique dans le traitement du cancer et des maladies cardiovasculaires et neurodégénératives. Ces effets bénéfiques sont attribuables aux composés phénoliques abondants dans le bleuet, tels que les anthocyanines et les flavonoïdes. La biotransformation du jus de bleuet avec les bactéries Serratia vaccinii augmente sa teneur en composés phénoliques et son activité anti-oxydante, et modifie ses activités physiologiques. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’activité neuroprotectrice et le potentiel antidiabétique du jus de bleuet biostranformé (BJ). Le BJ est étudié dans différents tests dont : 1) La protection des neurones (N2a) contre le stress oxydatif (SO) induit par le peroxyde d’hydrogène; 2) La stimulation de la prise de glucose par les cellules musculaires (C2C12) et adipeuses (3T3-L1); 3) L’activité anti-hyperglycémique chez les souris obèses diabétiques KKAy. En effet, tandis que le jus de bleuet normal n’a aucun effet, le BJ augmente l’activité des enzymes anti-oxydantes, comme la catalase et la SOD (Superoxide Dimutase) et protège les neurones contre les changements de la signalisation des MAPKs et contre la toxicité induite par le peroxyde d’hydrogène. Le BJ augmente aussi la prise de glucose de 48% dans les cellules C2C12 et de 142% dans les cellules 3T3-L1. Cette augmentation n’est pas expliquée par une augmentation du calcium cytosolique mais plutôt par une stimulation de la phosphorylation de l’AMPK. De plus, le BJ inhibe l’adipogenèse chez les 3T3-L1. Le BJ diminue également l’hyperglycémie chez les souris obèses diabétiques KKAy et protège les jeunes souris pré-diabétiques contre le développement de l’obésité et du diabète. L’activité anti-hyperglycémique du BJ pourrait impliquer les adipokines puisque le BJ augmente le niveau d’adiponectine chez les souris diabétiques. Le BJ représente ainsi une approche prometteuse pour le traitement du diabète et les maladies neurodégénératives et une source de nouveaux agents thérapeutiques contre ces maladies.

Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

Platelet adhesion signalling and the regulation of thrombus formation

Platelets perform a central role in haemostasis and thrombosis. They adhere to subendothelial collagens exposed at sites of blood vessel injury via the glycoprotein (GP) 1b-V-IX receptor complex, GPV1 and integrin alpha(2)beta(1)-These receptors perform distinct functions in the regulation of cell signalling involving non-receptor tyrosine kinases (e.g. Src, Fyn, Lyn, Syk and Btk), adaptor proteins, phospholipase C and lipid kinases such as phosphoinositide 3-kinase. They are also coupled to an increase in cytosolic calcium levels and protein kinase C activation, leading to the secretion of paracrine/autocrine platelet factors and an increase in integrin receptor affinities. Through the binding of plasma fibrinogen and von Willebrand Factor to integrin alphaIIbbeta(3), a platelet thrombus is formed. Although increasing evidence indicates that each of the adhesion receptors GPIb-V-IX and GPV1 and integrins alpha(2)beta(1) and alpha(IIb)beta(3) contribute to the signalling that regulates this process, the individual roles of each are only beginning to be dissected. By contrast, adhesion receptor signalling through platelet endothelial cell adhesion molecule 1 (PECAM-1) is implicated in the inhibition of platelet function and thrombus formation in the healthy circulation. Recent studies indicate that understanding of platelet adhesion signalling mechanisms might enable the development of new strategies to treat and prevent thrombosis.

Pseudomonas aeruginosa elastase disables proteinase-activated receptor 2 in respiratory epithelial cells

Pseudomonas aeruginosa, a major lung pathogen in cystic fibrosis (CF) patients, secretes an elastolytic metalloproteinase (EPa) contributing to bacterial pathogenicity. Proteinase-activated receptor 2 (PAR2), implicated in the pulmonary innate defense, is activated by the cleavage of its extracellular N-terminal domain, unmasking a new N-terminal sequence starting with SLIGKV, which binds intramolecularly and activates PAR2. We show that EPa cleaves the N-terminal domain of PAR2 from the cell surface without triggering receptor endocytosis as trypsin does. As evaluated by measurements of cytosolic calcium as well as prostaglandin E(2) and interleukin-8 production, this cleavage does not activate PAR2, but rather disarms the receptor for subsequent activation by trypsin, but not by the synthetic receptor-activating peptide, SLIGKV-NH(2). Proteolysis by EPa of synthetic peptides representing the N-terminal cleavage/activation sequences of either human or rat PAR2 indicates that cleavages resulting from EPa activity would not produce receptor-activating tethered ligands, but would disarm PAR2 in regard to any further activating proteolysis by activating proteinases. Our data indicate that a pathogen-derived proteinase like EPa can potentially silence the function of PAR2 in the respiratory tract, thereby altering the host innate defense mechanisms and respiratory functions, and thus contributing to pathogenesis in the setting of a disease like CF.

Increased Activation of Stromal Interaction Molecule-1/Orai-1 in Aorta From Hypertensive Rats A Novel Insight Into Vascular Dysfunction

Disturbances in the regulation of cytosolic calcium (Ca(2+)) concentration play a key role in the vascular dysfunction associated with arterial hypertension. Stromal interaction molecules (STIMs) and Orai proteins represent a novel mechanism to control store-operated Ca(2+) entry. Although STIMs act as Ca(2+) sensors for the intracellular Ca(2+) stores, Orai is the putative pore-forming component of Ca(2+) release-activated Ca(2+) channels at the plasma membrane. We hypothesized that augmented activation of Ca(2+) release-activated Ca(2+)/Orai-1, through enhanced activity of STIM-1, plays a role in increased basal tonus and vascular reactivity in hypertensive animals. Endothelium-denuded aortic rings from Wistar-Kyoto and stroke-prone spontaneously hypertensive rats were used to evaluate contractions because of Ca(2+) influx. Depletion of intracellular Ca(2+) stores, which induces Ca(2+) release-activated Ca(2+) activation, was performed by placing arteries in Ca(2+) free-EGTA buffer. The addition of the Ca(2+) regular buffer produced greater contractions in aortas from stroke-prone spontaneously hypertensive rats versus Wistar-Kyoto rats. Thapsigargin (10 mu mol/L), an inhibitor of the sarcoplasmic reticulum Ca(2+) ATPase, further increased these contractions, especially in stroke-prone spontaneously hypertensive rat aorta. Addition of the Ca(2+) release-activated Ca(2+) channel inhibitors 2-aminoethoxydiphenyl borate (100 mu mol/L) or gadolinium (100 mu mol/L), as well as neutralizing antibodies to STIM-1 or Orai-1, abolished thapsigargin-increased contraction and the differences in spontaneous tone between the groups. Expression of Orai-1 and STIM-1 proteins was increased in aorta from stroke-prone spontaneously hypertensive rats when compared with Wistar-Kyoto rats. These results support the hypothesis that both Orai-1 and STIM-1 contribute to abnormal vascular function in hypertension. Augmented activation of STIM-1/Orai-1 may represent the mechanism that leads to impaired control of intracellular Ca(2+) levels in hypertension. (Hypertension. 2009; 53[part 2]: 409-416.)

Aminoacetone, a putative endogenous source of methylglyoxal, causes oxidative stress and death to insulin-producing RINm5f cells

Aminoacetone (AA), triose phosphates, and acetone are putative endogenous sources of potentially cytotoxic and genotoxic methylglyoxal (MG), which has been reported to be augmented in the plasma of diabetic patients. In these patients, accumulation of MG derived from aminoacetone, a threonine and glycine catabolite, is inferred from the observed concomitant endothelial overexpression of circulating semicarbazide-sensitive amine oxidases. These copper-dependent enzymes catalyze the oxidation of primary amines, such as AA and methylamine, by molecular oxygen, to the corresponding aldehydes, NH4+ ion and H2O2. We recently reported that AA aerobic oxidation to MG also takes place immediately upon addition of catalytic amounts of copper and iron ions. Taking into account that (i) MG and H2O2 are reportedly cytotoxic to insulin-producing cell lineages such as RINm5f and that (ii) the metal-catalyzed oxidation of AA is propagated by O-2(center dot-) radical anion, we decided to investigate the possible pro-oxidant action of AA on these cells taken here as a reliable model system for pancreatic beta-cells. Indeed, we show that AA (0.10-5.0 mM) administration to RINm5f cultures induces cell death. Ferrous (50-300 mu M) and Fe3+ ion (100 mu M) addition to the cell cultures had no effect, whereas Cu2+ (5.0-100 mu M) significantly increased cell death. Supplementation of the AA- and Cu2+-containing culture medium with antioxidants, such as catalase (5.0 mu M), superoxide dismutase (SOD, 50 U/mL), and N-acetylcysteine (NAC, 5.0 mM) led to partial protection. mRNA expression of MnSOD, CuZnSOD, glutathione peroxidase, and glutathione reductase, but not of catalase, is higher in cells treated with AA (0.50-1.0 mM) plus Cu2+ ions (10-50 mu M) relative to control cultures. This may imply higher activity of antioxidant enzymes C, in RINm5f AA-treated cells. In addition, we have found that AA (0.50-1.0 mM) Plus Cu2+ (100 mu M) (i) increase RINm5f cytosolic calcium; (ii) promote DNA fragmentation; and (iii) increase the pro-apoptotic (Bax)/antiapoptotic (Bcl-2) ratio at the level of mRNA expression. In conclusion, although both normal and pathological concentrations of AA are probably much lower than those used here, it is tempting to propose that excess AA in diabetic patients may drive oxidative damage and eventually the death of pancreatic beta-cells.

The semi-synthetic kaurane ent-16 alpha-methoxykauran-19-oic acid induces vascular relaxation and hypotension in rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Skeletal muscle degeneration and regeneration after injection of bothropstoxin-II, a phospholipase A2 isolated from the venom of the snake Bothrops jararacussu

A myotoxic phospholipase A2, named bothropstoxin II (BthTX-II), was isolated from the venom of the South American snake Bothrops jararacussu and the pathogenesis of myonecrosis induced by this toxin was studied in mice. BthTX-II induced a rapid increase in plasma creatine kinase levels. Histological and ultrastructural observations demonstrate that this toxin affects muscle fibers by first disrupting the integrity of plasma membrane, as delta lesions were the earliest morphological alteration and since the plasma membrane was interrupted or absent in many portions. In agreement with this hypothesis, BthTX-II released peroxidase entrapped in negatively charged multilamellar liposomes and behaved as an amphiphilic protein in charge shift electrophoresis, an indication that its mechanism of action might be based on the interaction and disorganization of plasma membrane phospholipids. Membrane damage was followed by a complex series of morphological alterations in intracellular structures, most of which are probably related to an increase in cytosolic calcium levels. Myofilaments became hypercontracted into dense clumps which alternated with cellular spaces devoid of myofibrillar material. Later on, myofilaments changed to a hyaline appearance with a more uniform distribution. Mitochondria were drastically affected, showing high amplitude swelling, vesiculation of cristae, formation of flocculent densities, and membrane disruption. By 24 hr, abundant polymorphonuclear leucocytes and macrophages were observed in the interstitial space as well as inside necrotic fibers. Muscle regeneration proceeded normally, as abundant myotubes and regenerating myofibers were observed 7 days after BthTX-II injection. By 28 days regenerating fibers had a diameter similar to that of adult muscle fibers, although they presented two distinctive features: central location of nuclei and some fiber splitting. This good regenerative response may be explained by the observation that BthTX-II does not affect blood vessels, nerves, or basal laminae. © 1991.

Dose-dependent effects of angiotensin-(1-7) on the NHE3 exchanger and [Ca(2+)](i) in in vivo proximal tubules

The acute direct action of angiotensin-(1-7) [ANG-(1-7)] on bicarbonate reabsorption (JHCO(3)(-)) was evaluated by stationary microperfusions on in vivo middle proximal tubules in rats using H ion-sensitive microelectrodes. The control JHCO(3)(-) is 2.82 ± 0.078 nmol·cm(-2)·s(-1) (50). ANG-(1-7) (10(-12) or 10(-9) M) in luminally perfused tubules decreases JHCO(3)(-) (36 or 60%, respectively), but ANG-(1-7) (10(-6) M) increases it (80%). A779 increases JHCO(3)(-) (30%) and prevents both the inhibitory and the stimulatory effects of ANG-(1-7) on it. S3226 decreases JHCO(3)(-) (45%) and changes the stimulatory effect of ANG-(1-7) to an inhibitory effect (30%) but does not affect the inhibitory effect of ANG-(1-7). Our results indicate that in the basal condition endogenous ANG-(1-7) inhibits JHCO(3)(-) and that the biphasic dose-dependent effect of ANG-(1-7) on JHCO(3)(-) is mediated by the Mas receptors via the Na(+)/H(+) exchanger 3 (NHE3). The control value of intracellular Ca(2+) concentration ([Ca(2+)](i)), as monitored using fura-2 AM, is 101 ± 2 nM (6), and ANG-(1-7) (10(-12), 10(-9), or 10(-6)M) transiently (3 min) increases it (by 151, 102, or 52%, respectively). A779 increases the [Ca(2+)](i) (25%) but impairs the stimulatory effect of all doses of ANG-(1-7) on it. The use of BAPTA or thapsigargin suggests a correlation between the ANG-(1-7) dose-dependent effects on [Ca(2+)](i) and JHCO(3)(-). Therefore, the interaction of the opposing dose-dependent effects of ANG II and ANG-(1-7) on [Ca(2+)](i) and JHCO(3)(-) may represent an physiological regulatory mechanism of extracellular volume and/or pH changes. However, whether [Ca(2+)](i) modification is an important direct mechanism for NHE3 activation by these peptides or is a side effect of other signaling pathways will require additional studies.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquitär vorkommendes Signalmolekül, das an der Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher müssen die intrazellulären Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziierten Neurodegeneration können dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erhöhte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erhöhten Vulnerabilität, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erhöhte Ca2+-Last zurückzuführen sein könnte, da diese Neuronen einem ständigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollständig aufgeklärt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden primäre Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem grün fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn„Cameleon cpYC 3.6“ (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abhängigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zelluläre Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erhöhten zytosolischen Ca2+-Konzentration führt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, während keine signifikanten Veränderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abhängig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abhängige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Darüber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen Überleben.rnVeränderungen der Ca2+-Homöostase wurden auch während der normalen Alterung inrnprimären Fibroblasten und bei Mäusen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten Mäusen (C57B/6) detektiert.rnDer zelluläre Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeinträchtigt, was das neuronale Überleben beeinflussen kann. In zukünftige Studien soll aufgeklärt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen führen bzw. ob durch eine PMCA2-Überexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden können.