Functional sites involved in modulation of the GABAA receptor channel by the intravenous anesthetics propofol, etomidate and pentobarbital.

GABAA receptors are the major inhibitory neurotransmitter receptors in the brain and are the target for many clinically important drugs. Among the many modulatory compounds are also the intravenous anesthetics propofol and etomidate, and barbiturates. The mechanism of receptor modulation by these compounds is of mayor relevance. The site of action of these compounds has been located to subunit interfaces in the intra-membrane region of the receptor. In α1β2γ2 GABAA receptors there are five such interfaces, two β+/α- and one each of α+/β-, α+/γ- and γ+/β- subunit interfaces. We have used reporter mutations located in the second trans-membrane region in different subunits to probe the effects of changes at these subunit interfaces on modulation by propofol, etomidate and pentobarbital. We provide evidence for the fact that each of these compounds either modulates through a different set of subunit interfaces or through the same set of subunit interfaces to a different degree. As a GABAA receptor pentamer harbors two β+/α- subunit interfaces, we used concatenated receptors to dissect the contribution of individual interfaces and show that only one of these interfaces is important for receptor modulation by etomidate.

A new chromanone derivative isolated from Hypericum lissophloeus (Hypericaceae) potentiates GABAA receptor currents in a subunit specific fashion.

A phytochemical investigation of the lipophilic extract of Hypericum lissophloeus (smoothbark St. John's wort, Hypericaceae) was conducted, resulting in the isolation and identification of a new chromanone derivative: 5,7-dihydroxy-2,3-dimethyl-6-(3-methyl-but-2-enyl)-chroman-4-one (1). This compound was demonstrated to act as a potent stimulator of currents elicited by GABA in recombinant α1β2γ2 GABAA receptors, with a half-maximal potentiation observed at a concentration of about 4μM and a maximal potentiation of >4000%. Significant potentiation was already evident at a concentration as low as 0.1μM. Extent of potentiation strongly depends on the type of α subunit, the type of β subunit and the presence of the γ subunit.

CO2-induced ocean acidification increases anxiety in Rockfish via alteration of GABAA receptor functioning

The average surface pH of the ocean is dropping at a rapid rate due to the dissolution of anthropogenic CO2, raising concerns for marine life. Additionally, some coastal areas periodically experience upwelling of CO2-enriched water with reduced pH. Previous research has demonstrated ocean acidification (OA)-induced changes in behavioural and sensory systems including olfaction, which is due to altered function of neural gamma-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors. Here, we used a camera-based tracking software system to examine whether OA-dependent changes in GABAA receptors affect anxiety in juvenile Californian rockfish (Sebastes diploproa). Anxiety was estimated using behavioural tests that measure light/dark preference (scototaxis) and proximity to an object. After one week in OA conditions projected for the next century in the California shore (1125 ± 100 µatm, pH 7.75), anxiety was significantly increased relative to controls (483 ± 40 µatm CO2, pH 8.1). The GABAA-receptor agonist muscimol, but not the antagonist gabazine, caused a significant increase in anxiety consistent with altered Cl- flux in OA-exposed fish. OA-exposed fish remained more anxious even after 7 days back in control seawater; however, they resumed their normal behaviour by day 12. These results show that OA could severely alter rockfish behaviour; however, this effect is reversible.

Diazepam-induced changes in sleep: Role of the α1 GABAA receptor subtype

Ligands acting at the benzodiazepine (BZ) site of γ-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors currently are the most widely used hypnotics. BZs such as diazepam (Dz) potentiate GABAA receptor activation. To determine the GABAA receptor subtypes that mediate the hypnotic action of Dz wild-type mice and mice that harbor Dz-insensitive α1 GABAA receptors [α1 (H101R) mice] were compared. Sleep latency and the amount of sleep after Dz treatment were not affected by the point mutation. An initial reduction of rapid eye movement (REM) sleep also occurred equally in both genotypes. Furthermore, the Dz-induced changes in the sleep and waking electroencephalogram (EEG) spectra, the increase in power density above 21 Hz in non-REM sleep and waking, and the suppression of slow-wave activity (SWA; EEG power in the 0.75- to 4.0-Hz band) in non-REM sleep were present in both genotypes. Surprisingly, these effects were even more pronounced in α1(H101R) mice and sleep continuity was enhanced by Dz only in the mutants. Interestingly, Dz did not affect the initial surge of SWA at the transitions to sleep, indicating that the SWA-generating mechanisms are not impaired by the BZ. We conclude that the REM sleep inhibiting action of Dz and its effect on the EEG spectra in sleep and waking are mediated by GABAA receptors other than α1, i.e., α2, α3, or α5 GABAA receptors. Because α1 GABAA receptors mediate the sedative action of Dz, our results provide evidence that the hypnotic effect of Dz and its EEG “fingerprint” can be dissociated from its sedative action.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

GABAA receptor beta subunit mRNA expression in the human alcoholic brain

A competitive RT-PCR assay was used to quantify the expression of the GABA(A) receptor beta(1), beta(2) and beta(3) isoform mRNA transcripts in the superior frontal cortex and motor cortex of 21 control and 22 alcoholic cases. A single set of primers was designed that permitted amplification of all three transcripts and the internal standard simultaneously; differentiation of the individual transcripts was achieved by restriction enzyme digestion. Construction of a standard curve, using the internal standard and a concentration range of beta(2) cRNA-enabled quantitation of mRNA expression levels. No significant difference in mRNA expression was found between the control and alcoholic case groups in either the superior frontal or motor cortex for the beta(2) or beta(3) isoforms. A significant interaction was found between isoform and area, although, the two case groups did not partition on this measure. The interaction was due to a significant difference between superior frontal and motor cortex for the beta(3) isoform; this regional comparison was not significant for beta(2) mRNA. Age at death and post-mortem delay (PMD) had no significant effect on beta mRNA expression in either case group in either region. A beta(1) signal could not be detected in the RT-PCR assay. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.