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.

Development of mavoglurant and its potential for the treatment of fragile X syndrome.

Introduction: Fragile X syndrome (FXS) is the most common inherited cause of intellectual disability. With no curative treatment available, current therapeutic approaches are aimed at symptom management. FXS is caused by silencing the FMR1 gene, which encodes FMRP; as loss of FMRP leads to the development of symptoms associated with FXS. Areas covered: In this evaluation, the authors examine the role of the metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) in the pathophysiology of FXS, and its suitability as a target for rescuing the disease state. Furthermore, the authors review the evidence from preclinical studies of pharmacological interventions targeting mGluR5 in FXS. Lastly, the authors assess the findings from clinical studies in FXS, in particular the use of the Aberrant Behavior Checklist-Community Edition (ABC-C) and the recently developed ABC-C for FXS scale, as clinical endpoints to assess disease modification in this patient population. Expert opinion: There is cautious optimism for the successful treatment of the core behavioral and cognitive symptoms of FXS based on preclinical data in animal models and early studies in humans. However, the association between mGluR5-heightened responsiveness and the clinical phenotype in humans remains to be demonstrated. Many questions regarding the optimal treatment and outcome measures of FXS remain unanswered.

Roles of mGluR5 in synaptic function and plasticity of the mouse thalamocortical pathway.

The group I metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) has been implicated in the development of cortical sensory maps. However, its precise roles in the synaptic function and plasticity of thalamocortical (TC) connections remain unknown. Here we first show that in mGluR5 knockout (KO) mice bred onto a C57BL6 background cytoarchitectonic differentiation into barrels is missing, but the representations for large whiskers are identifiable as clusters of TC afferents. The altered dendritic morphology of cortical layer IV spiny stellate neurons in mGluR5 KO mice implicates a role for mGluR5 in the dendritic morphogenesis of excitatory neurons. Next, in vivo single-unit recordings of whisker-evoked activity in mGluR5 KO adults demonstrated a preserved topographical organization of the whisker representation, but a significantly diminished temporal discrimination of center to surround whiskers in the responses of individual neurons. To evaluate synaptic function at TC synapses in mGluR5 KO mice, whole-cell voltage-clamp recording was conducted in acute TC brain slices prepared from postnatal day 4-11 mice. At mGluR5 KO TC synapses, N-methyl-D-aspartate (NMDA) currents decayed faster and synaptic strength was more easily reduced, but more difficult to strengthen by Hebbian-type pairing protocols, despite a normal developmental increase in alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor (AMPAR)-mediated currents and presynaptic function. We have therefore demonstrated that mGluR5 is required for synaptic function/plasticity at TC synapses as barrels are forming, and we propose that these functional alterations at the TC synapse are the basis of the abnormal anatomical and functional development of the somatosensory cortex in the mGluR5 KO mouse.

Epigenetic modification of the FMR1 gene in fragile X syndrome is associated with differential response to the mGluR5 antagonist AFQ056.

Fragile X syndrome (FXS) is an X-linked condition associated with intellectual disability and behavioral problems. It is caused by expansion of a CGG repeat in the 5' untranslated region of the fragile X mental retardation 1 (FMR1) gene. This mutation is associated with hypermethylation at the FMR1 promoter and resultant transcriptional silencing. FMR1 silencing has many consequences, including up-regulation of metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5)-mediated signaling. mGluR5 receptor antagonists have shown promise in preclinical FXS models and in one small open-label study of FXS. We examined whether a receptor subtype-selective inhibitor of mGluR5, AFQ056, improves the behavioral symptoms of FXS in a randomized, double-blind, two-treatment, two-period, crossover study of 30 male FXS patients aged 18 to 35 years. We detected no significant effects of treatment on the primary outcome measure, the Aberrant Behavior Checklist-Community Edition (ABC-C) score, at day 19 or 20 of treatment. In an exploratory analysis, however, seven patients with full FMR1 promoter methylation and no detectable FMR1 messenger RNA improved, as measured with the ABC-C, significantly more after AFQ056 treatment than with placebo (P < 0.001). We detected no response in 18 patients with partial promoter methylation. Twenty-four patients experienced an adverse event, which was mostly mild to moderately severe fatigue or headache. If confirmed in larger and longer-term studies, these results suggest that blockade of the mGluR5 receptor in patients with full methylation at the FMR1 promoter may show improvement in the behavioral attributes of FXS.

Reversal of activity-mediated spine dynamics and learning impairment in a mouse model of Fragile X syndrome.

Fragile X syndrome (FXS) is characterized by intellectual disability and autistic traits, and results from the silencing of the FMR1 gene coding for a protein implicated in the regulation of protein synthesis at synapses. The lack of functional Fragile X mental retardation protein has been proposed to result in an excessive signaling of synaptic metabotropic glutamate receptors, leading to alterations of synapse maturation and plasticity. It remains, however, unclear how mechanisms of activity-dependent spine dynamics are affected in Fmr knockout (Fmr1-KO) mice and whether they can be reversed. Here we used a repetitive imaging approach in hippocampal slice cultures to investigate properties of structural plasticity and their modulation by signaling pathways. We found that basal spine turnover was significantly reduced in Fmr1-KO mice, but markedly enhanced by activity. Additionally, activity-mediated spine stabilization was lost in Fmr1-KO mice. Application of the metabotropic glutamate receptor antagonist α-Methyl-4-carboxyphenylglycine (MCPG) enhanced basal turnover, improved spine stability, but failed to reinstate activity-mediated spine stabilization. In contrast, enhancing phosphoinositide-3 kinase (PI3K) signaling, a pathway implicated in various aspects of synaptic plasticity, reversed both basal turnover and activity-mediated spine stabilization. It also restored defective long-term potentiation mechanisms in slices and improved reversal learning in Fmr1-KO mice. These results suggest that modulation of PI3K signaling could contribute to improve the cognitive deficits associated with FXS.

Focal degeneration of astrocytes in amyotrophic lateral sclerosis

Astrocytes emerge as key players in motor neuron degeneration in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). Whether astrocytes cause direct damage by releasing toxic factors or contribute indirectly through the loss of physiological functions is unclear. Here we identify in the hSOD1(G93A) transgenic mouse model of ALS a degenerative process of the astrocytes, restricted to those directly surrounding spinal motor neurons. This phenomenon manifests with an early onset and becomes significant concomitant with the loss of motor cells and the appearance of clinical symptoms. Contrary to wild-type astrocytes, mutant hSOD1-expressing astrocytes are highly vulnerable to glutamate and undergo cell death mediated by the metabotropic type-5 receptor (mGluR5). Blocking mGluR5 in vivo slows down astrocytic degeneration, delays the onset of the disease and slightly extends survival in hSOD1(G93A) transgenic mice. We propose that excitotoxicity in ALS affects both motor neurons and astrocytes, favouring their local interactive degeneration. This new mechanistic hypothesis has implications for therapeutic interventions.Cell Death and Differentiation advance online publication, 11 July 2008; doi:10.1038/cdd.2008.99.

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.

Oxygen/Glucose deprivation induces a reduction in synaptic AMPA receptors on hippocampal CA3 neurons mediated by mGluR1 and adenosine A3 receptors

Hippocampal CA1 pyramidal neurons are highly sensitive to ischemic damage, whereas neighboring CA3 pyramidal neurons are less susceptible. It is proposed that switching of AMPA receptor (AMPAR) subunits on CA1 neurons during an in vitro model of ischemia, oxygen/glucose deprivation (OGD), leads to an enhanced permeability of AMPARs to Ca2+, resulting in delayed cell death. However, it is unclear whether the same mechanisms exist in CA3 neurons and whether this underlies the differential sensitivity to ischemia. Here, we investigated the consequences of OGD for AMPAR function in CA3 neurons using electrophysiological recordings in rat hippocampal slices. Following a 15 min OGD protocol, a substantial depression of AMPAR-mediated synaptic transmission was observed at CA3 associational/commissural and mossy fiber synapses but not CA1 Schaffer collateral synapses. The depression of synaptic transmission following OGD was prevented by metabotropic glutamate receptor 1 (mGluR1) or A3 receptor antagonists, indicating a role for both glutamate and adenosine release. Inhibition of PLC, PKC, or chelation of intracellular Ca2+ also prevented the depression of synaptic transmission. Inclusion of peptides to interrupt the interaction between GluA2 and PICK1 or dynamin and amphiphysin prevented the depression of transmission, suggesting a dynamin and PICK1-dependent internalization of AMPARs after OGD. We also show that a reduction in surface and total AMPAR protein levels after OGD was prevented by mGluR1 or A3 receptor antagonists, indicating that AMPARs are degraded following internalization. Thus, we describe a novel mechanism for the removal of AMPARs in CA3 pyramidal neurons following OGD that has the potential to reduce excitotoxicity and promote neuroprotection