CD-Systems of Stateless Deterministic R(1)-Automata Governed by an External Pushdown Store

We study cooperating distributed systems (CD-systems) of stateless deterministic restarting automata with window size 1 that are governed by an external pushdown store. In this way we obtain an automata-theoretical characterization for the class of context-free trace languages.

"Functional Upregulation of Ca2+ -Activated K+ Channels in the Development of Substantia Nigra Dopamine Neurons"

Many connections in the basal ganglia are made around birth when animals are exposed to a host of new affective, cognitive, and sensori-motor stimuli. It is thought that dopamine modulates cortico-striatal synapses that result in the strengthening of those connections that lead to desired outcomes. We propose that there must be a time before which stimuli cannot be processed into functional connections, otherwise it would imply an effective link between stimulus, response, and reward in uterus. Consistent with these ideas, we present evidence that early in development dopamine neurons are electrically immature and do not produce high-frequency firing in response to salient stimuli. We ask first, what makes dopamine neurons immature? and second, what are the implications of this immaturity for the basal ganglia? As an answer to the first question, we find that at birth the outward current is small (3nS-V), insensitive to Ca2z, TEA, BK, and SK blockers. Rapidly after birth, the outward current increases to 15nS-V and becomes sensitive to Ca2z, TEA, BK, and SK blockers. We make a detailed analysis of the kinetics of the components of the outward currents and produce a model for BK and SK channels that we use to reproduce the outward current, and to infer the geometrical arrangement of BK and Ca2z channels in clusters. In the first cluster, T-type Ca2z and BK channels are coupled within distances of *20 nm (200 A˚). The second cluster consists of L-type Ca2z and BK channels that are spread over distances of at least 60 nm. As for the second question, we propose that early in development, the mechanism of action selection is in a ‘‘locked-in’’ state that would prevent dopamine neurons from reinforcing cortico-striatal synapses that do not have a functional experiential- based value.

Functional Upregulation of Ca2+ -Activated K+ Channels in the Development of Substantia Nigra Dopamine Neurons

Many connections in the basal ganglia are made around birth when animals are exposed to a host of new affective, cognitive, and sensori-motor stimuli. It is thought that dopamine modulates cortico-striatal synapses that result in the strengthening of those connections that lead to desired outcomes. We propose that there must be a time before which stimuli cannot be processed into functional connections, otherwise it would imply an effective link between stimulus, response, and reward in uterus. Consistent with these ideas, we present evidence that early in development dopamine neurons are electrically immature and do not produce high-frequency firing in response to salient stimuli. We ask first, what makes dopamine neurons immature? and second, what are the implications of this immaturity for the basal ganglia? As an answer to the first question, we find that at birth the outward current is small (3nS-V), insensitive to Ca2+, TEA, BK, and SK blockers. Rapidly after birth, the outward current increases to 15nS-V and becomes sensitive to Ca2+, TEA, BK, and SK blockers. We make a detailed analysis of the kinetics of the components of the outward currents and produce a model for BK and SK channels that we use to reproduce the outward current, and to infer the geometrical arrangement of BK and Ca2+ channels in clusters. In the first cluster, T-type Ca2+ and BK channels are coupled within distances of similar to 20 nm (200 parallel to). The second cluster consists of L-type Ca2+ and BK channels that are spread over distances of at least 60 nm. As for the second question, we propose that early in development, the mechanism of action selection is in a "locked-in" state that would prevent dopamine neurons from reinforcing cortico-striatal synapses that do not have a functional experiential-based value.

Transmisión sináptica-canales de calcio y liberación de neurotransmisore

La comunicación neuronal en el sistema nervioso está mediada, en la gran mayoría de animales, por la transmisión sináptica química. Generalmente esta comunicación ocurre mediante la liberación de una sustancia transmisora en el terminal presináptico. Este transmisor sináptico se une a receptores postsinápticos y da lugar a una respuesta postsináptica en la célula blanco. La liberación del transmisor en la región presináptica, al parecer, es desencadenada por un aumento transitorio del calcio intracelular en el sitio de liberación. Este aumento se logra, principalmente, por la activación de canales de calcio dependientes de voltaje (VGCC), lo que da lugar a un ingreso de iones de calcio en el citosol presináptico, que desencadena la fusión de las vesículas sinápticas y la liberación del neurotransmisor. En este artículo se revisan las características moleculares y funcionales de los VGCC necesarias para la comprensión de alteraciones patológicas como las canalopatías y la transmisión sináptica anormal. Metodología: se consultaron las bases de datos Medline, Pubmed y los e-journals de la Biblioteca de la Universidad de Columbia, correspondientes a los años 1990 a 2004. Resultados: durante la última década se han logrado avances significativos en los aspectos moleculares y en la genética de los canales dependientes de voltaje. La integración de este conocimiento con la neurofisiología funcional y la neurología clínica apenas se está iniciando.

Estudi d'un receptor quinasa atípic (Mark) i de les proteïnes que interaccionen amb el seu domini intracel·lular. Transducció del senyal i desenvolupament en blat de moro (Zea mays)

Aquesta tesi doctoral s'engloba dins d'un projecte general d'estudi de gens implicats en l'embriogènesi del blat de moro. L'embriogènesi del blat de moro, i en general la de totes les plantes superiors, es dóna en tres etapes: una primera etapa on es diferencien tots els diversos teixits que formaran l'embrió, una segona etapa on l'embrió acumula productes de reserva i un tercer període, la dormància, que finalitza quan les condicions ambientals són les idònies per a la germinació. En el laboratori estàvem interessats, concretament, en l'estudi de gens implicats en la primera etapa morfogenètica, on els diferents teixits i estructures embrionàries queden definides. Per tal d'estudiar gens que s'expressaven en aquest període, una de les estratègies que es va realitzar fou un crivellat diferencial entre teixit embrionari i teixit de planta adulta. D'entre els diferents clons obtinguts, un corresponia a un clon parcial que presentava similitud amb receptors quinasa i que fou objecte d'estudi. A partir d'aquest clon es va obtenir el clon complet i es va anomenar MARK (per Maize Atypical Receptor Kinase). MARK presenta una estructura típica d'un receptor quinasa amb un domini extracel.lular, que conté 6 còpies imperfectes de LRR (Leucine- Rich Repeats), un únic domini transmembrana i un domini quinasa intracel.lular. El domini quinasa de MARK presenta, però, algunes variacions en els residus aminoacídics que es consideren claus per a la funció catalítica dels dominis quinasa. En concret cinc dels aminoàcids considerats essencials per a la fosforilació es troben substituits en el domini quinasa de MARK (DK-MARK). Els experiments de fosforilació in vitro que es van realitzar al laboratori, van mostrar com MARK era incapaç de fosforilar in vitro. Aquesta característica no és, però, exclusiva de MARK. Una búsqueda en les bases de dades ens van permetre identificar altres seqüències que també presentaven els mateixos o altres canvis en aquestes posicions aminoacídiques. En les bases de dades de plantes es van identificar un conjunt de seqüències genòmiques o ESTs amb aquestes característiques i només una d'elles, la proteïna TMKL1 d'Arabidopsis, ha sigut descrita com un receptor quinasa incapaç de fosforilar in vitro. Respecte a la búsqueda de receptors similars a MARK en les bases de dades d'animals, es van identificar també un conjunt de proteïnes que, en alguns casos, s'ha descrit que no tenen activitat quinasa in vivo. Per exemple, un dels casos més ben estudiats és el del receptor erbB3 que forma part de la família de receptors del EGF (Epidermal Growth Factor). Aquesta família de receptors està formada per 4 receptors: erbB1, erbB2, erbB3 i erbB4, dels quals només l'erbB3 no presenta activitat catalítica. S'ha descrit que erbB3 és capaç, tot i no fosforilar in vivo, de participar activament en la transducció del senyal formant heterodímers amb els altres membres de la família. Així, erbB3 és fosforilat pel seu partner i pot iniciar la cascada de transducció del senyal. La participació d'erbB3 en la transducció del senyal és essencial ja que embrions de ratolí knock-out pel gen erbB3 són inviables. Així doncs, el fet que receptors quinasa catalíticament inactius participin en les cascades de transducció del senyal, suggereix l'existència de nous mecanismes d'acció per a la transducció del senyal. Per tant, l'objectiu d'aquest treball fou l'estudi del mecanisme d'acció de MARK mitjançant la caracterització les proteïnes capaces d'interaccionar amb el seu domini quinasa. Per tal d'assolir aquest objectiu, es va realitzar un crivellat de doble-híbrid amb una llibreria de cDNA d'embrions de blat de moro de 7 DAP. D'aquest crivellat es va obtenir un conjunt de possibles clons positius que foren seqüenciats i entre els quals es van escollir per un estudi més detallat aquells que s'havien obtingut més vegades com a clons independents. Aquests clons codificaven per: una SAMDC (S-Adenosil Descarboxilasa), una eIF5 (Eukaryotic translation initiation), una hypothetical protein, una unknown protein, una gamma-adaptina i una MAP4K. Amb aquests 6 clons es van fer estudis in vitro i in vivo per tal de confirmar al seva interacció amb DK-MARK. Els estudis in vivo es van realitzar amb la soca de llevat AH109, una soca més astringent que la utilitzada en el crivellat, ja que presenta tres gens marcadors: Histidina, Adenina i Lacz. Els resultats obtinguts van mostrar que els clons codificants per SAMDC i eIF5 no van créixer en un medi selectiu per His i Ade i, per tant o es tracta de falsos positius del sistema o la seva interacció amb DK-MARK és dèbil. D'altra banda, la resta dels clons analitzats (proteïna hipotètica, una proteïna de funció desconeguda, la gamma-adaptina i una MAP4K) van créixer en medis en absència de Histidina i Adenina. Els assatjos de b-galactosidasa van ser tots positius a excepció de la proteïna hipotètica suggerint que potser aquesta interacció sigui més feble. D'altra banda també es van realitzar estudis in vitro amb la tècnica del pull-down. Els resultats obtinguts amb aquesta tècnica van recolzar els obtinguts en cèl.lules de llevat, ja que tots els clons analitzats a excepció dels codificants per SAMDC i eIF5 van donar un resultat d'interacció amb KD-MARK in vitro positiu. Davant aquests resultats ens vam centrar en l'estudi de la proteïna similar a MAP4K, doncs algunes proteïnes de la seva família s'han relacionat amb receptors de membrana. Els clons que es va obtenir del crivellat codificaven per una proteïna similar amb el domini C-terminal a les proteïnes BnMAP4Ka1 i a2 de Brassica napus. Aquestes proteïnes presenten una forta similitud de seqüència amb proteïnes de la família GCK/SPS1 que formen part d'un grup particular de MAPK relacionades amb la proteïna Ste20 (sterile 20 protein) de llevat. Ste20p activa la MAP3K de llevat Ste11 directament per fosforilació, transduint d'aquesta manera el senyal del receptor de feromones de creuament de les cèl.lules de llevat i es pot, doncs, considerar com una proteïna del tipus MAP4K (mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase). En els darrers anys, s'han identificat un gran nombre de proteïnes similars a Ste20: fins a una trentena en mamífers, en Drosophila, en Caenorhabditis elegans i en altres organismes. Segons la seva estructura aminoacídica, la família Ste20 s'ha classificat en dues subfamílies: les proteïnes STE20/PAK (p21-activated kinases) i la subfamília GCK/SPS1 (germinal center kinases). Les dues subfamílies estan formades per proteïnes que contenen un domini quinasa i un domini regulador, però, mentre que les proteïnes PAK presenten el domini quinasa en la part C-terminal, les GCKs el presenten en la regió N terminal. Les proteïnes GCK presenten una elevada diversitat estructural en el domini regulador permetent la seva classificació en 6 subfamílies. Mitjançant la tècnica del RACE es va obtenir el clon de cDNA complet que es va anomenar MIK (MARK Interacting Kinase). Amb la tècnica del Southern blot es va poder determinar que el gen MIK és un gen de còpia única en el genoma de blat de moro. Per tal d'analitzar la possible interacció entre DK-MARK i MIK, es va estudiar tant el patró d'expressió d'ambdós gens com el seu patró d'acumulació d'ambdues proteïnes durant l'embriogènesi del blat de moro. El patró d'expressió, analitzat per Northen blot va mostrar uns patrons coincidents al llarg de l'embriogènesi des del seu inici fins als 20 DAP amb una acumulació màxima de mRNA en embrions de 15 DAP. D'altra banda per tal d'estudiar el patró d'acumulació de la proteïna MIK així com per comparar-lo amb el de MARK, es van realitzar estudis de Westerns blot. Els resultats també van mostrar una coincidència en el temps de l'acumulació de les proteïnes MARK i MIK durant l'embriogènesi de blat de moro amb una major acumulació en embrions de 15 i 20 DAP. Es van dur a terme també estudis d'immunolocalitzacions sobre embrions de blat de moro de 15 DAP per tal d'estudiar en quins teixits s'acumulaven ambdues proteïnes. Les immunolocalitzacions van mostrar una major acumulació tant de MARK com de MIK en les zones meristemàtiques i en el teixit vascular sobretot del coleòptil on s'aprecia una forta co-localització de MARK i MIK. Totes aquestes dades són compatibles, doncs, amb una possible interacció de les proteïnes MARK i MIK, tot i que no la demostren. Per tal de demostrar la interacció es van realitzar experiments d'immunoprecipitació in vivo a partir d'extractes d'embrions. Malauradament, els resultats no són clars i en aquests moments en el laboratori s'estan posant a punt aquests experiments. També es van realitzar estudis comparatius de seqüència amb diferents proteïnes de la família GCK, mostrant una major similitud amb les proteïnes de la subfamília GCK-III. La subfamília GCK-III ha estat molt poc estudiada i en formen part un conjunt de proteïnes amb funcions molt diverses des de l'apoptosi, la citoquinesi o l'anòxia cel.lular. Per tant, la similitud de seqüència possiblement fa referència a una conservació en el mecanisme d'acció més que no pas a una conservació funcional. La possible interacció de MARK amb el domini C-terminal de MIK (el domini regulador) podria activar aquesta última iniciant una cascada de transducció del senyal en un model en el que una proteïna del tipus GCK-III faria de lligam directa entre un receptor de membrana i una cascada de senyalització intracel.lular. Aquest tipus de lligam entre un recepctor de membrana i mòduls intracel.lulars de senyalització s'ha descrit per a altres proteïnes GCK, si bé no directament sinó a través de proteïnes adaptadores. D'altra banda, la interacció directa de MARK, un receptor quinasa atípic que no té activitat catalítica, amb MIK suggereix un mecanisme on receptors atípics podrien interaccionar en la transducció del senyal activant la via de les MAPK.

Nerve terminal GABAA receptors activate Ca2+/calmodulin-dependent signaling to inhibit voltage-gated Ca2+ influx and glutamate release

-Aminobutyric acid type A (GABAA) receptors, a family of Cl-permeable ion channels, mediate fast synaptic inhibition as postsynaptically enriched receptors for -aminobutyric acid at GABAergic synapses. Here we describe an alternative type of inhibition mediated byGABAA receptors present on neocortical glutamatergic nerve terminals and examine the underlying signaling mechanism(s). By monitoring the activity of the presynaptic CaM kinase II/synapsin I signaling pathway in isolated nerve terminals, we demonstrate that GABAA receptor activation correlated with an increase in basal intraterminal [Ca2]i. Interestingly, this activation of GABAA receptors resulted in a reduction of subsequent depolarization-evoked Ca2 influx, which thereby led to an inhibition of glutamate release. To investigate how the observed GABAA receptor-mediated modulation operates, we determined the sensitivity of this process to the Na-K-2Cl cotransporter 1 antagonist bumetanide, as well as substitution of Ca2 with Ba2, or Ca2/calmodulin inhibition by W7. All of these treatments abolished the modulation by GABAA receptors. Application of selective antagonists of voltage-gated Ca2 channels (VGCCs) revealed that the GABAA receptor-mediated modulation of glutamate release required the specific activity of L- and R-type VGCCs. Crucially, the inhibition of release by these receptors was abolished in terminals isolated from R-type VGCC knock-out mice. Together, our results indicate that a functional coupling between nerve terminal GABAA receptors and L- or R-type VGCCs is mediated by Ca2/calmodulin-dependent signaling. This mechanism provides a GABA-mediated control of glutamatergic synaptic activity by a direct inhibition of glutamate release.

Effects of neuropathy on high-voltage-activated Ca2+ current in sensory neurones

Voltage-dependent Ca2+ channels (VDCCs) have emerged as targets to treat neuropathic pain; however, amongst VDCCs, the precise role of the CaV2.3 subtype in nociception remains unproven. Here, we investigate the effects of partial sciatic nerve ligation (PSNL) on Ca2+ currents in small/medium diameter dorsal root ganglia (DRG) neurones isolated from CaV2.3(−/−) knock-out and wild-type (WT) mice. DRG neurones from CaV2.3(−/−) mice had significantly reduced sensitivity to SNX-482 versusWTmice. DRGs from CaV2.3(−/−) mice also had increased sensitivity to the CaV2.2 VDCC blocker -conotoxin. In WT mice, PSNL caused a significant increase in -conotoxin-sensitivity and a reduction in SNX-482-sensitivity. In CaV2.3(−/−) mice, PSNL caused a significant reduction in -conotoxin-sensitivity and an increase in nifedipine sensitivity. PSNL-induced changes in Ca2+ current were not accompanied by effects on voltagedependence of activation in either CaV2.3(−/−) or WT mice. These data suggest that CaV2.3 subunits contribute, but do not fully underlie, drug-resistant (R-type) Ca2+ current in these cells. In WT mice, PSNL caused adaptive changes in CaV2.2- and CaV2.3-mediated Ca2+ currents, supporting roles for these VDCCs in nociception during neuropathy. In CaV2.3(−/−) mice, PSNL-induced changes in CaV1 and CaV2.2 Ca2+ current, consistent with alternative adaptive mechanisms occurring in the absence of CaV2.3 subunits.

Intracellular signalling pathways regulating the adaptation of skeletal muscle to exercise and nutritional changes

The focus of the present review is to assimilate current knowledge concerning the differing signalling transduction cascades that control muscle mass development and affect skeletal muscle phenotype following exercise or nutritional uptake. Effects of mechanical loading on protein synthesis are discussed. Muscle growth control is regulated by the interplay of growth promoting and growth suppressing factors, which act in concert. Much emphasis has been placed on understanding how increases in the rate of protein synthesis are induced in skeletal muscle during the adaptive process. One key point to emerge is that protein synthesis following resistance exercise or increased nutrient availability is mediated through changes in signal transduction involving the phosphorylation of mTOR and sequential activation of downstream targets. On the other hand, AMPK activation plays an important role in the inhibition of protein synthesis by suppressing the function of multiple translation regulators of the mTOR signalling pathway in response to cellular energy depletion and low metabolic conditions. The effects of exercise and/or nutritional uptake on the activation of signalling molecules that regulate protein synthesis are highlighted, providing a better understanding of the molecular changes in the cell.

Annexins: multifunctional components of growth and adaptation

Plant annexins are ubiquitous, soluble proteins capable of Ca2+-dependent and Ca2+-independent binding to endomembranes and the plasma membrane. Some members of this multigene family are capable of binding to F-actin, hydrolysing ATP and GTP, acting as peroxidases or cation channels. These multifunctional proteins are distributed throughout the plant and throughout the life cycle. Their expression and intracellular localization are under developmental and environmental control. The in vitro properties of annexins and their known, dynamic distribution patterns suggest that they could be central regulators or effectors of plant growth and stress signalling. Potentially, they could operate in signalling pathways involving cytosolic free calcium and reactive oxygen species.

Expression and regulation of Nkd-1, an intracellular component of Wnt signalling pathway in the chick embryo

The Wnt family of secreted signalling molecules control a wide range of developmental processes in all metazoans. The intracellular response to Wnt signalling depends on the choice of signalling cascade activated in the responding cell. Cells can activate either the canonical pathway that modulates gene expression to control cellular differentiation and proliferation, or the non-canonical pathway that controls cell polarity and movement. Recent work has identified the protein Naked Cuticle to act as an intracellular switch to promote the non-canonical pathway at the expense of the canonical pathway. We have cloned chick Naked Cuticle-1 (cNkd-1) and show that it is expressed in a dynamic manner during early embryogenesis. We show that it is expressed in the somites and in particular regions where cells are undergoing movement. Lastly, we show that the expression of cNkd-1 is regulated by Wnt expression originating from the neural tube. This study provides evidence that non-canonical Wnt signalling plays a part in somite development.

The role of voltage gated T-type Ca2+ channel isoforms in mediating "capacitative" Ca2+ entry in cancer cells

The mechanism by which Ca2+ enters electrically non-excitable cells is unclear. The sensitivity of the Ca2+ entry pathway in electrically non-excitable cells to inhibition by extracellular Ni2+ was used to direct the synthesis of a library of simple, novel compounds. These novel compounds inhibit Ca2+ entry into and, consequently, proliferation of several cancer cell lines. They showed stereoselective inhibition of proliferation and Ca2+ influx with identical stereoselective inhibition of heterologously expressed Cav3.2 isoform of T-type Ca2+ channels. Proliferation of human embryonic kidney (HEK)293 cells transfected with the Cav3.2 Ca2+ channel was also blocked. Cancer cell lines sensitive to our compounds express message for the Cav3.2 T-type Ca2+ channel isoform, its delta25B splice variant, or both, while a cell line resistant to our compounds does not. These observations raise the possibility that clinically useful drugs can be designed based upon the ability to block these Ca2+ channels.

Modulation of peroxynitrite-induced fibroblast injury by hesperetin: a role for intracellular scavenging and modulation of ERK signalling

Peroxynitrite is thought to contribute to the progression of many diseases including cardiovascular disease, cancer, and neurodegenerative disorders. We report that pre-treatment of fibroblasts with the citrus flavanone, hesperetin, prior to peroxynitrite exposure protects against peroxynitrite-mediated cytotoxicity. This protection was partially mediated by the intracellular scavenging of peroxynitrite by hesperctin as exposure of fibroblasts to peroxynitrite following hesperetin loading led to the formation of two intracellular nitrohesperetin derivatives. In addition, protection appeared to be mediated by hesperetin-induced changes in MAP kinase signalling. Exposure of fibroblasts to hesperetin led to concentration-dependent increases in the phosphorylation of ERK1/2 and was observed to restore peroxynitrite-mediated decreases in ERK1/2 phosphorylation. We propose that the protective potential of hesperetin in fibroblasts may be mediated both by intracellular scavenging of peroxynitrite and by modulation of fibroblast signalling. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

The intracellular genistein metabolite 5,7,3 ',4 '-tetrahydroxyisoflavone mediates G2-M cell cycle arrest in cancer cells via modulation of the p38 signaling pathway

The cellular actions of genistein are believed to mediate the decreased risk of breast cancer associated with high soy consumption. We have investigated the intracellular metabolism of genistein in T47D tumorigenic and MCF-10A nontumorigenic cells and assessed the cellular actions of resultant metabolites. Genistein selectively induced growth arrest and G2-M phase cell cycle block in T47D but not MCF10A breast epithelial cells. These antiproliferative effects were paralleled by significant differences in the association of genistein to cells and in particular its intracellular metabolism. Genistein was selectively taken up into T47D cells and was subject to metabolism by CYP450 enzymes leading to the formation of both 5,7,3',4'-tetrahydroxyisoflavone (THIF) and two glutathionyl conjugates of THIF THIF inhibited cdc2 activation via the phosphorylation of p38 MAP kinase, suggesting that this species may mediate genistein's cellular actions. THIF exposure activated p38 and caused subsequent inhibition of cyclin B1 (Ser 147) and cdc2 (Thr 161) phosphorylation, two events critical for the correct functioning of the cdc2-cyclin B1 complex. We suggest that the formation of THIF may mediate the cellular actions of genistein in tumorigenic breast epithelial cells via the activation of signaling through p38. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.