Modulation of interleukin-6 and matrix metalloproteinase 2 expression in human fibroblast-like synoviocytes by functional ionotropic glutamate receptors

Objective. Patients with rheumatoid arthritis (RA) have increased concentrations of the amino acid glutamate in synovial fluid. This study was undertaken to determine whether glutamate receptors are expressed in the synovial joint, and to determine whether activation of glutamate receptors on human synoviocytes contributes to RA disease pathology. Methods. Glutamate receptor expression was examined in tissue samples from rat knee joints and in human fibroblast-like synoviocytes (FLS). FLS from 5 RA patients and 1 normal control were used to determine whether a range of glutamate receptor antagonists influenced expression of the proinflammatory cytokine interleukin-6 (IL-6), enzymes involved in matrix degradation and cytokine processing (matrix metalloproteinase 2 [MMP-2] and MMP-9), and the inhibitors of these enzymes (tissue inhibitor of metalloproteinases 1 [TIMP-1] and TIMP-2). IL-6 concentrations were determined by enzyme-linked immunosorbent assay, MMP activity was measured by gelatin zymography, and TIMP activity was determined by reverse zymography. Fluorescence imaging of intracellular calcium concentrations in live RA FLS stimulated with specific antagonists was used to reveal functional activation of glutamate receptors that modulated IL-6 or MMP-2. Results. Ionotropic and metabotropic glutamate receptor subunit mRNA were expressed in the patella, fat pad, and meniscus of the rat knee and in human articular cartilage. Inhibition of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors in RA FLS increased proMMP-2 release, whereas non-NMDA ionotropic glutamate receptor antagonists reduced IL-6 production by these cells. Stimulation with glutamate, NMDA, or kainate (KA) increased intracellular calcium concentrations in RA FLS, demonstrating functional activation of specific ionotropic glutamate receptors. Conclusion. Our findings indicate that activation of NMDA and KA glutamate receptors on human synoviocytes may contribute to joint destruction by increasing IL-6 expression. © 2007, American College of Rheumatology.

Differential control of two forms of glutamate release by group III metabotropic glutamate receptors at rat entorhinal synapses

Neurotransmitter release at CNS synapses occurs via both action potential-dependent and independent mechanisms, and it has generally been accepted that these two forms of release are regulated in parallel. We examined the effects of activation of group III metabotropic glutamate receptors (mGluRs) on stimulus-evoked and spontaneous glutamate release onto entorhinal cortical neurones in rats, and found a differential regulation of action potential-dependent and independent forms of release. Activation of presynaptic mGluRs depressed the amplitude of stimulus-evoked excitatory postsynaptic currents, but concurrently enhanced the frequency of spontaneous excitatory currents. Moreover, these differential effects on glutamate release were mediated by pharmacologically separable mechanisms. Application of the specific activator of adenylyl cyclase, forskolin, mimicked the effect of mGluR activation on spontaneous, but not evoked release, and inhibition of adenylyl cyclase with 9-tetrahydro-2-furanyl)-9H-purin-6-amine (SQ22536) blocked mGluR-mediated enhancement of spontaneous release, but not depression of evoked release. Occlusion studies with calcium channel blockers suggested that the group III mGluRs might depress evoked release through inhibition of both N and P/Q, but not R-type calcium channels. We suggest that the concurrent depression of action potential-evoked, and enhancement of action potential-independent glutamate release operate through discrete second messenger/effector systems at excitatory entorhinal terminals in rat brain. © 2007 IBRO.

Differentiation of neural stem cells in fragile X syndrome

Multipotent stem cells can self-renew and give rise to multiple cell types. One type of mammalian multipotent stem cells are neural stem cells (NSC)s, which can generate neurons, astrocytes and oligodendrocytes. NSCs are likely involved in learning and memory, but their exact role in cognitive function in the developing and adult brain is unclear. We have studied properties of NSCs in fragile X syndrome (FXS), which is the most common form of inherited mental retardation. FXS is caused by the lack of functional fragile X mental retardation protein (FMRP). FMRP is involved in the regulation of postsynaptic protein synthesis in a group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5)-dependent manner. In the absence of functional FMRP, the formation of functional synapses is impaired in the forebrain which results in alterations in synaptic plasticity. In our studies, we found that FMRP-deficient NSCs generated more neurons and less glia than control NSCs. The newborn neurons derived from FMRP-deficient NSCs showed an abnormally immature morphology. Furthermore, FMRP-deficient NSCs exhibited aberrant oscillatory Ca2+ responses to glutamate, which were specifically abolished by an antagonist of the mGluR5 receptor. The data suggested alterations in glutamatergic differentiation of FMRP-deficient NSCs and were further supported by an accumulation of cells committed to glutamatergic lineage in the subventricular zone of the embryonic Fmr1-knockout (Fmr1-KO) neocortex. Postnatally, the aberrant cells likely contributed to abnormal formation of the neocortex. The findings suggested a defect in the differentiation of distinct glutamatergic mGluR5 responsive cells in the absence of functional FMRP. Furthermore, we found that in the early postnatal Fmr1-KO mouse brain, the expression of mRNA for regulator of G-protein signalling-4 (RGS4) was decreased which was in line with disturbed G-protein signalling in NSCs lacking FMRP. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) promotes neuronal differentiation of NSCs as the absence of FMRP was shown to do. This led us to study the effect of impaired BDNF/TrkB receptor signaling on NSCs by overexpression of TrkB.T1 receptor isoform. We showed that changes in the relative expression levels of the full-length and truncated TrkB isoforms influenced the replication capacity of NSCs. After the differentiation, the overexpression of TrkB.T1 increased neuronal turnover. To summarize, FMRP and TrkB signaling are involved in normal differentiation of NSCs in the developing brain. Since NSCs might have potential for therapeutic interventions in a variety of neurological disorders, our findings may be useful in the design of pharmacological interventions in neurological disorders of learning and memory.

Quantitative interactions between the A-type K+ current and inositol trisphosphate receptors regulate intraneuronal Ca2+ waves and synaptic plasticity

Key points center dot Active calcium signal propagation occurs when an initial calcium trigger elicits calcium release through endoplasmic reticulum (ER) receptors. A high concentration of the calcium trigger in thin-calibre dendrites would suppress release of calcium through hippocampal inositol trisphosphate receptors (InsP3Rs). center dot Could the high-density expression of A-type K+ channels in thin-calibre dendrites be a mechanism for inhibiting this suppression, thereby restoring the utility of the ER as a substrate for active calcium propagation? center dot Quantitative analyses involving experimentally constrained models reveal a bell-shaped dependence of calcium released through InsP3Rs on the A-type K+ channel density, during the propagation of a calcium wave. center dot A-type K+ channels regulated the relative contribution of ER calcium to the induction of synaptic plasticity in the presence of model metabotropic glutamate receptors. center dot These results identify a novel form of interaction between active dendrites and the ER membrane and suggest that A-type K+ channels are ideally placed for inhibiting the suppression of InsP3Rs in thin-calibre dendrites. Abstract The A-type potassium current has been implicated in the regulation of several physiological processes. Here, we explore a role for the A-type potassium current in regulating the release of calcium through inositol trisphosphate receptors (InsP3R) that reside on the endoplasmic reticulum (ER) of hippocampal pyramidal neurons. To do this, we constructed morphologically realistic, conductance-based models equipped with kinetic schemes that govern several calcium signalling modules and pathways, and constrained the distributions and properties of constitutive components by experimental measurements from these neurons. Employing these models, we establish a bell-shaped dependence of calcium release through InsP3Rs on the density ofA-type potassium channels, during the propagation of an intraneuronal calcium wave initiated through established protocols. Exploring the sensitivities of calcium wave initiation and propagation to several underlying parameters, we found that ER calcium release critically depends on dendritic diameter and that wave initiation occurred at branch points as a consequence of a high surface area to volume ratio of oblique dendrites. Furthermore, analogous to the role ofA-type potassium channels in regulating spike latency, we found that an increase in the density ofA-type potassium channels led to increases in the latency and the temporal spread of a propagating calcium wave. Next, we incorporated kinetic models for the metabotropic glutamate receptor (mGluR) signalling components and a calcium-controlled plasticity rule into our model and demonstrate thatthe presence of mGluRs induced a leftward shift in a BienenstockCooperMunro-like synaptic plasticity profile. Finally, we show that the A-type potassium current could regulate the relative contribution of ER calcium to synaptic plasticity induced either through 900 pulses of various stimulus frequencies or through theta burst stimulation. Our results establish a novel form of interaction between active dendrites and the ER membrane, uncovering a powerful mechanism that could regulate biophysical/biochemical signal integration and steer the spatiotemporal spread of signalling microdomains through changes in dendritic excitability.

Re-exploration of the PHCCC Scaffold: Discovery of Improved Positive Allosteric Modulators of mGluR4

This paper describes a detailed structure activity relationship (SAR) analysis of the metabotropic glutamate receptor 4 (mGluR4) positive allosteric modulator, (-)-N-phenyl-7-(hydroxyimino)cyclopropa[b]-chromen-la-carboxamide (PHCCC). We have now developed compounds with improved potency and efficacy; in addition, compounds are presented that show selectivity for mGluR4 versus the other mGluR subtypes.

mGluR5 Positive Allosteric Modulators Facilitate both Hippocampal LTP and LTD and Enhance Spatial Learning

Highly selective positive allosteric modulators (PAMs) of metabotropic glutamate receptor subtype 5 (mGluR5) have emerged as a potential approach to treat positive symptoms associated with schizophrenia. mGluR5 plays an important role in both long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), suggesting that mGluR5 PAMs may also have utility in improving impaired cognitive function. However, if mGluR5 PAMs shift the balance of LTP and LTD or induce a state in which afferent activity induces lasting changes in synaptic function that are not appropriate for a given pattern of activity, this could disrupt rather than enhance cognitive function. We determined the effect of selective mGluR5 PAMs on the induction of LTP and LTD at the Schaffer collateral-CA1 synapse in the hippocampus. mGluR5-selective PAMs significantly enhanced threshold theta-burst stimulation (TBS)-induced LTP. In addition, mGluR5 PAMs enhanced both DHPG-induced LTD and LTD induced by the delivery of paired-pulse low-frequency stimulation. Selective potentiation of mGluR5 had no effect on LTP induced by suprathreshold TBS or saturated LTP. The finding that potentiation of mGluR5-mediated responses to stimulation of glutamatergic afferents enhances both LTP and LTD and supports the hypothesis that the activation of mGluR5 by endogenous glutamate contributes to both forms of plasticity. Furthermore, two systemically active mGluR5 PAMs enhanced performance in the Morris water maze, a measure of hippocampus-dependent spatial learning. Discovery of small molecules that enhance both LTP and LTD in an activity-appropriate manner shows a unique action on synaptic plasticity that may provide a novel approach for the treatment of impaired cognitive function. Neuropsychopharmacology (2009) 34, 2057-2071; doi:10.1038/npp.2009.30; published online 18 March 2009

Optimization of an ether series of mGluR5 positive allosteric modulators: Molecular determinants of MPEP site interaction crossover

We report the optimization of a series of non-MPEP site metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu5) pos. allosteric modulators (PAMs) based on a simple acyclic ether series. Modifications led to a gain of MPEP site interaction through incorporation of a chiral amide in conjunction with a nicotinamide core. A highly potent PAM, 8v (VU0404251), was shown to be efficacious in a rodent model of psychosis. These studies suggest that potent PAMs within topol. similar chemotypes can be developed to preferentially interact or not interact with the MPEP allosteric binding site.

Discovery and SAR of a novel series of non-MPEP site mGlu(5) PAMs based on an aryl glycine sulfonammide scaffold

Herein we report the discovery and SAR of a novel series of non-MPEP site metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu(5)) positive allosteric modulators (PAMs) based on an aryl glycine sulfonamide scaffold. This series represents a rare non-MPEP site mGlu(5) PAM chemotype.

Identification des canaux TRPC impliqués dans la potentialisation à long terme des interneurones de la région CA1 de l'hippocampe chez le rat

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT.

Rôle des récepteurs glutamatergiques dans l'activité épileptiforme des interneurones inhibiteurs de l'hippocampe

Les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (TLE) ainsi que les rats injectés à l'acide kaïnique (KA) exhibent des patrons pathophysiologiques similaires de crises, de sclérose de l'hippocampe et de perte de certains types neuronaux. Parmi les cellules atteintes dans le modèle KA du TLE on retrouve certains interneurones inhibiteurs du CA1. En effet, certains interneurones des couches oriens et alveus (O/A-IN) meurent suite à une injection de KA chez le rat, contrairement aux interneurones à la bordure des couches radiatum et lacunosum/moleculare (R/LM-IN) de la même région. Bien que cette perte soit empêchée par des antagonistes des récepteurs glutamatergiques métabotropes de groupe I (mGluR1/5), la cause de cette perte sélective des O/A-INs reste à être précisée. Au cours des travaux de cette thèse, nous avons effectué des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule-entière en modes courant- et voltage-imposé couplés à l'imagerie calcique pour étudier les causes de la vulnérabilité sélective des O/A-INs dans ce modèle. Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d'une application aiguë de KA sur les propriétés membranaires et calciques pour voir s'il y avait des différences entre les O/A-INs et R/LM-INs qui pourraient expliquer la vulnérabilité. Nos résultats montrent que les dépolarisations et variations de résistance d'entrée ainsi que les augmentations de calcium intracellulaire, dépendantes principalement des récepteurs -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA), sont similaires entre les deux types d'interneurones suite à des applications aigües de KA. Ceci indique que l'effet aigu du KA sur les interneurones ne serait pas la cause de la vulnérabilité des O/A-INs. Dans un second temps nous avons comparé l'implication des sous-types de récepteurs mGluR1 et 5 dans l'activité épileptiforme des deux types d'interneurones évoquée dans un modèle de tranche désinhibée. Dans ce cas, nos données montrent un rôle important des mGluR1 et 5 activés synaptiquement lors des décharges épileptiformes et ce, de manière spécifique aux O/A-INs. Les courants synaptiques sous-tendant ces décharges impliquent des récepteurs ionotropes et métabotropes du glutamate. En présence d'antagonistes des récepteurs ionotropes glutamatergiques, les courants synaptiques sont biphasiques et formés de composantes rapide et lente. Les récepteurs mGluR1 et 5 sont différemment impliqués dans ces composantes: les mGluR5 étant impliqués dans les composantes rapide et lente, et les mGluR1 que dans la composante lente. Ces résultats indiquent que les mGluR1 et 5 contribuent différemment à l'activité épileptiforme, et spécifiquement dans les O/A-INs, et pourraient donc être impliqués dans la vulnérabilité sélective de ces interneurones dans le modèle KA.

Altération du couplage neurovasculaire par l'angiotensine II : évaluation du rôle de la signalisation calcique astrocytaire

Le couplage neurovasculaire (CNV) est un mécanisme d’homéostasie cérébrale régulant le débit sanguin cérébral (CBF) en fonction de l’activité neuronale. La manière dont il est altéré par l’angiotensine II (Ang II), une hormone synthétisée et relâchée dans la circulation systémique ou, alternativement, produite dans le cerveau grâce aux astrocytes, demeure à élucider. Ces cellules expriment le récepteur AT1 (rAT1) et participent à l’orchestration du CNV en relâchant des agents vasoactifs suivant la réponse calcique astrocytaire. Nous avons donc étudié le rôle de cette réponse dans l’altération du CNV induite par l’Ang II. Nous avons trouvé par fluxmétrie par laser Doppler que l’Ang II atténue (p<0.05) la réponse du CBF engendrée par l’activation des récepteurs métabotropes du glutamate du groupe I (mGluRI) du cortex chez la souris C57BL/6. De manière similaire, l’Ang II diminue l'élévation du CBF induite par la stimulation des vibrisses (p<0.05). Sur tranches de cerveaux en aiguë, la polarité de la réponse vasculaire induite par un agoniste mGluRI dans les artérioles parenchymateuses a été significativement renversée par l’Ang II de la vasodilatation vers la vasoconstriction. En parallèle, l’Ang II a augmenté les niveaux de calcium astrocytaire basaux et l’amplitude des réponses calciques (p<0.05). L’altération des réponses vasculaires et calciques maximales a été prévenue par le candesartan, antagoniste des rAT1. Nos résultats suggèrent que l’Ang II potentialise via les rAT1 la réponse calcique qui atteint un seuil favorisant la vasoconstriction par rapport à la vasodilatation, altérant ainsi l’augmentation du CBF en réponse à l’activité neuronale.

Rôle de la plasticité synaptique des interneurones somatostatinergiques dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe.

Mechanisms of translation regulation in long-term synaptic plasticity

Les souvenirs sont encodés dans le cerveau grâce aux configurations uniques de vastes réseaux neuronaux. Chaque connexion dans ces circuits est apte à être modifiée. Ces changements durables s’opèrent au niveau des synapses grâce à une synthèse de protéines de novo et génèrent ce qu’on nomme des traces mnésiques. Plusieurs preuves indiquent que, dans certaines formes de plasticité synaptique à long terme, cette synthèse a lieu dans les dendrites près des synapses activées plutôt que dans le corps cellulaire. Cependant, les mécanismes qui régulent cette traduction de protéines demeurent encore nébuleux. La phase d’initiation de la traduction est une étape limitante et hautement régulée qui, selon plusieurs chercheurs, constitue la cible principale des mécanismes de régulation de la traduction dans la plasticité synaptique à long terme. Le présent projet de recherche infirme cette hypothèse dans une certaine forme de plasticité synaptique, la dépression à long terme dépendante des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR-LTD). À l’aide d’enregistrements électrophysiologiques de neurones hippocampiques en culture couplés à des inhibiteurs pharmacologiques, nous montrons que la régulation de la traduction implique les étapes de l’élongation et de la terminaison et non celle de l’initiation. De plus, nous démontrons grâce à des stratégies de knockdown d’expression d’ARN que la protéine de liaison d’ARNm Staufen 2 joue un rôle déterminant dans la mGluR-LTD induite en cultures. Dans leur ensemble, les résultats de la présente étude viennent appuyer un modèle de régulation de la traduction locale de protéines qui est indépendante de l’initiation.