Modelo integrador para las rutas de señalización diferencial del receptor ionotrópico de glutamato activado por el N-metil-D-aspartato

El receptor ionotrópico de glutamato activado por N-metil-D-aspartato (iGluR-NMDA) es un complejo macromolecular heteromultimérico constituido por entre 3 y 5 subunidades de tres diferentes tipos, a saber: NR1, NR2A-D y NR3A y B. Se ha demostrado su participación activa en prácticamente todos los procesos fisiológicos, patológicos e intermediarios de efectos farmacológicos que ocurren en las células de tejidos excitables, inclusive se ha reportado su presencia en otros tejidos no excitables. En el sistema nervioso central (SNC) participa en los procesos de aprendizaje, memoria, plasticidad, diferenciación, migración de la célula neural y apoptosis. Además, en los eventos de índole farmacológica se ha demostrado su intervención en excitotoxicidad, drogadicción y alcoholismo. Surge entonces la pregunta de cómo un mismo complejo macromolecular puede participar en tantos y tan diversos procesos. La revisión de literatura en la que se demuestra la interacción del iGluR-NMDA con proteínas de señalización, soporte, adaptadoras, moduladoras, de adhesión celular, de citoesqueleto y enzimas reporta un conjunto de más de 160 moléculas que participan en las cascadas que generan las señales a diferentes niveles de interacción y con diferentes sustratos. En este artículo se presenta un modelo predictivo estructural y funcional que permite distinguir, por lo menos, tres rutas diferenciadas de señalización.

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.

Investigation of cooperativity in the binding of ligands to the D-2 dopamine receptor

The D 2 dopamine receptor exists as dimers or as higher-order oligomers, as determined from data from physical experiments. In this study, we sought evidence that this oligomerization leads to cooperativity by examining the binding of three radioligands ([H-3] nemonapride, [H-3] raclopride, and [H-3] spiperone) to D 2 dopamine receptors expressed in membranes of Sf9 cells. In saturation binding experiments, the three radioligands exhibited different B-max values, and the B-max values could be altered by the addition of sodium ions to assays. Despite labeling different numbers of sites, the different ligands were able to achieve full inhibition in competition experiments. Some ligand pairs also exhibited complex inhibition curves in these experiments. In radioligand dissociation experiments, the rate of dissociation of [H-3] nemonapride or [H-3] spiperone depended on the sodium ion concentration but was independent of the competing ligand. Although some of the data in this study are consistent with the behavior of a cooperative oligomeric receptor, not all of the data are in agreement with this model. It may, therefore, be necessary to consider more complex models for the behavior of this receptor.

Functional coupling of the human dopamine D-2 receptor with G alpha(i1), G alpha(i2), G alpha(i3) and G alpha(o) G proteins: evidence for agonist regulation of G protein selectivity

1 The human dopamine D-2long (D-2L) receptor was expressed with four different G proteins in Sf9 cells using the baculovirus expression system. When co-expressed with G(i)/G(o) G proteins (G(i1)alpha, G(i2)alpha, G(i3)alpha, or G(o)alpha, plus Gbeta(1) and Ggamma(2)) the receptor displayed a high-affinity binding site for the agonists (dopamine and NPA), which was sensitive to GTP (100 mum), demonstrating interaction between the receptor and the different G proteins. 2 The receptor to G protein ratio (R: G ratio) was evaluated using [H-3]-spiperone saturation binding (R) and [S-35]-GTPgammaS saturation binding (G). R: G ratios of 1: 12, 1: 3, 1: 14 and 1: 5 were found for G(i1), G(i2), G(i3), and Go preparations, respectively. However, when R:G ratios of 1:2 and 1: 12 were compared for G(i2) and G(o), no difference was found for the stimulation of [S-35]-GTPgammaS binding. 3 Several agonists were tested for their ability to stimulate [S-35]-GTPgammaS binding to membranes co-expressing the receptor and various G proteins. All the compounds tested showed agonist activity in preparations expressing G(i3) and G(o). However, for G(i2) and G(i1) preparations, compounds such as S-(-)-3-PPP and p-tyramine were unable to stimulate [S-35]-GTPyS binding. 4 Most of the compounds showed higher relative efficacies (compared to dopamine) and higher potencies in the preparation expressing G(o). Comparison of the effects of different agonists in the different preparations showed that each agonist differentially activates the four G proteins. 5 We conclude that the degree of selectivity of G protein activation by the D-2L receptor can depend on the conformation of the receptor stabilised by an agonist.

Interaction of the D-2short dopamine receptor with G proteins: analysis of receptor G protein selectivity

The human D-2short (D-2S) dopamine receptor has been expressed together with the G proteins Gi2 and Go in insect cells using the baculovirus system. Levels of receptor were determined using [H-3]spiperone binding. Levels of G protein heterotrimer were determined using quantitative Western blot and using [S-35]GTPgammaS saturation binding experiments. Levels of the receptor and G protein and the receptor/G protein ratio were similar in the two preparations. Stimulation of [S-35]GTPgammaS binding by a range of agonists occurred with higher relative efficacy and in some cases higher potency in the preparation expressing Go, indicating that interaction of the D-2S receptor is more efficient with this G protein. The effects of various G protein-selective agents on 10,11-dihydroxy-N-n-propylnorapomorphine ([H-3]NPA) binding were used to examine the receptor/G protein complex in the two preparations. Suramin inhibited [H-3]NPA binding with slightly higher potency in the Gi2 preparation, whereas GppNHp inhibited [H-3]NPA binding with greater potency (similar to6-fold) in the Go preparation. This may imply that the G protein is more readily activated in the D-2S/Go preparation. [H-3]Spiperone binding occurred with an increased B-max in the presence of suramin in the Go preparation but not in the Gi2 preparation, suggesting a higher affinity interaction between the free receptor and this G protein. It is concluded that the higher efficiency activation of Go by the D-2S receptor may be a function of higher affinity receptor/G protein interaction as well as a greater ability to activate the G protein. (C) 2003 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Inverse agonism of the antipsychotic drugs at the D-2 dopamine receptor

The antipsychotic drugs had been assumed to act as antagonists at D-2 dopamine receptors but recently these drugs have been shown to possess inverse agonist properties at this receptor. Inverse agonism may be demonstrated from the ability of these drugs to potentiate forskolin-stimulated cAMP accumulation or to suppress agonist-independent [S-35]GTPgammaS binding. The antipsychotic drugs tested generally appear as full inverse agonists in these assays regardless of chemical or therapeutic class. The mechanism of inverse agonism of the antipsychotic drugs is still unclear but may involve stabilisation of the ground state of the D-2 receptor. (C) 2003 Elsevier Science B.V All rights reserved.

Investigation of cooperativity in the binding of ligands to the D-2 dopamine receptor

The D 2 dopamine receptor exists as dimers or as higher-order oligomers, as determined from data from physical experiments. In this study, we sought evidence that this oligomerization leads to cooperativity by examining the binding of three radioligands ([H-3] nemonapride, [H-3] raclopride, and [H-3] spiperone) to D 2 dopamine receptors expressed in membranes of Sf9 cells. In saturation binding experiments, the three radioligands exhibited different B-max values, and the B-max values could be altered by the addition of sodium ions to assays. Despite labeling different numbers of sites, the different ligands were able to achieve full inhibition in competition experiments. Some ligand pairs also exhibited complex inhibition curves in these experiments. In radioligand dissociation experiments, the rate of dissociation of [H-3] nemonapride or [H-3] spiperone depended on the sodium ion concentration but was independent of the competing ligand. Although some of the data in this study are consistent with the behavior of a cooperative oligomeric receptor, not all of the data are in agreement with this model. It may, therefore, be necessary to consider more complex models for the behavior of this receptor.

Mechanisms of G protein activation via the D-2 dopamine receptor: evidence for persistent receptor/G protein interaction after agonist stimulation

Background and purpose: The aim of this report is to study mechanisms of G protein activation by agonists. Experimental approach: The association and dissociation of guanosine 5'-O-(3-[S-35] thio) triphosphate ([S-35] GTP gamma S) binding at G proteins in membranes of CHO cells stably transfected with the human dopamine D-2short receptor was studied in the presence of a range of agonists. Key results: Binding of [S-35] GTPgS was dissociable in the absence of agonist and dissociation was accelerated both in rate and extent by dopamine, an effect which was blocked by the dopamine D-2 receptor antagonist raclopride and by suramin, which inhibits receptor/G protein interaction. A range of agonists of varying efficacy increased the rate of dissociation of [S-35] GTPgS binding, with the more efficacious agonists resulting in faster dissociation. Agonists were able to dissociate about 70% of the pre-bound [S-35] GTPgS, leaving a component which may not be accessible to the agonist-bound receptor. The dissociable component of the [S-35] GTPgS binding was reduced with longer association times and increased [S-35] GTPgS concentrations. Conclusions and implications: These data are consistent with [S-35] GTPgS binding being initially to receptor-linked G proteins and then to G proteins which have separated from the agonist bound receptor. Under the conditions used typically for [S-35] GTPgS binding assays, therefore, much of the agonist-receptor complex remains in proximity to G proteins after they have been activated by agonist.

Assays for enhanced activity of low efficacy partial agonists at the D-2 dopamine receptor

Background and purpose: Low efficacy partial agonists at the D-2 dopamine receptor may be useful for treating schizophrenia. In this report we describe a method for assessing the efficacy of these compounds based on stimulation of [S-35]GTP gamma S binding. Experimental approach: Agonist efficacy was assessed from [S-35]GTP gamma S binding to membranes of CHO cells expressing D2 dopamine receptors in buffers with and without Na+. Effects of Na+ on receptor/G protein coupling were assessed using agonist/[H-3] spiperone competition binding assays. Key results: When [S-35]GTP gamma S binding assays were performed in buffers containing Na+, some agonists (aripiprazole, AJ-76, UH-232) exhibited very low efficacy whereas other agonists exhibited measurable efficacy. When Na+ was substituted by N-methyl D-glucamine, the efficacy of all agonists increased (relative to that of dopamine) but particularly for aripiprazole, aplindore, AJ-76, (-)-3-PPP and UH-232. In ligand binding assays, substitution of Na+ by N-methyl D-glucamine increased receptor/G protein coupling for some agonists -. aplindore, dopamine and (-)-3-PPP-but for aripiprazole, AJ-76 and UH-232 there was little effect on receptor/G protein coupling. Conclusions and implications: Substitution of Na+ by NMDG increases sensitivity in [S-35] GTPgS binding assays so that very low efficacy agonists were detected clearly. For some agonists the effect seems to be mediated via enhanced receptor/G protein coupling whereas for others the effect is mediated at another point in the G protein activation cycle. AJ-76, aripiprazole and UH-232 seem particularly sensitive to this change in assay conditions. This work provides a new method to discover these very low efficacy agonists.

Protein kinase D isoforms are expressed in rat and mouse primary sensory neurons and are activated by agonists of protease-activated receptor 2

Serine proteases generated during injury and inflammation cleave protease-activated receptor 2 (PAR(2)) on primary sensory neurons to induce neurogenic inflammation and hyperalgesia. Hyperalgesia requires sensitization of transient receptor potential vanilloid (TRPV) ion channels by mechanisms involving phospholipase C and protein kinase C (PKC). The protein kinase D (PKD) serine/threonine kinases are activated by diacylglycerol and PKCs and can phosphorylate TRPV1. Thus, PKDs may participate in novel signal transduction pathways triggered by serine proteases during inflammation and pain. However, it is not known whether PAR(2) activates PKD, and the expression of PKD isoforms by nociceptive neurons is poorly characterized. By using HEK293 cells transfected with PKDs, we found that PAR(2) stimulation promoted plasma membrane translocation and phosphorylation of PKD1, PKD2, and PKD3, indicating activation. This effect was partially dependent on PKCepsilon. By immunofluorescence and confocal microscopy, with antibodies against PKD1/PKD2 and PKD3 and neuronal markers, we found that PKDs were expressed in rat and mouse dorsal root ganglia (DRG) neurons, including nociceptive neurons that expressed TRPV1, PAR(2), and neuropeptides. PAR(2) agonist induced phosphorylation of PKD in cultured DRG neurons, indicating PKD activation. Intraplantar injection of PAR(2) agonist also caused phosphorylation of PKD in neurons of lumbar DRG, confirming activation in vivo. Thus, PKD1, PKD2, and PKD3 are expressed in primary sensory neurons that mediate neurogenic inflammation and pain transmission, and PAR(2) agonists activate PKDs in HEK293 cells and DRG neurons in culture and in intact animals. PKD may be a novel component of a signal transduction pathway for protease-induced activation of nociceptive neurons and an important new target for antiinflammatory and analgesic therapies.

Prebiotic feeding elevates central brain derived neurotrophic factor, N-methyl-D-aspartate receptor subunits and D-serine

The influence of the gut microbiota on brain chemistry has been convincingly demonstrated in rodents. In the absence of gut bacteria, the central expression of brain derived neurotropic factor, (BDNF), and N-methyl-d-aspartate receptor (NMDAR) subunits are reduced, whereas, oral probiotics increase brain BDNF, and impart significant anxiolytic effects. We tested whether prebiotic compounds, which increase intrinsic enteric microbiota, also affected brain BDNF and NMDARs. In addition, we examined whether plasma from prebiotic treated rats released BDNF from human SH-SY5Y neuroblastoma cells, to provide an initial indication of mechanism of action. Rats were gavaged with fructo-oligosaccharides (FOS), galacto-oligosaccharides (GOS) or water for five weeks, prior to measurements of brain BDNF, NMDAR subunits and amino acids associated with glutamate neurotransmission (glutamate, glutamine, and serine and alanine enantiomers). Prebiotics increased hippocampal BDNF and NR1 subunit expression relative to controls. The intake of GOS also increased hippocampal NR2A subunits, and frontal cortex NR1 and d-serine. Prebiotics did not alter glutamate, glutamine, l-serine, l-alanine or d-alanine concentrations in the brain, though GOSfeeding raised plasma d-alanine. Elevated levels of plasma peptide YY (PYY) after GOS intake was observed. Plasma from GOS rats increased the release of BDNF from SH-SY5Y cells, but not in the presence of PYY antisera. The addition of synthetic PYY to SH-SY5Y cell cultures, also elevated BDNF secretion. We conclude that prebiotic-mediated proliferation of gut microbiota in rats, like probiotics, increases brain BDNF expression, possibly through the involvement of gut hormones. The effect of GOS on components of central NMDAR signalling was greater than FOS, and may reflect the proliferative potency of GOS on microbiota. Our data therefore, provide a sound basis to further investigate the utility of prebiotics in the maintenance of brain health and adjunctive treatment of neuropsychiatric disorders.

Role of nitric oxide in the periaqueductal gray in defensive behavior in mice: influence of prior local N-methyl-D-aspartate receptor activation and aversive condition

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

Increased pancreatic islet mass is accompanied by activation of the insulin receptor substrate-2/serine-threonine kinase pathway and augmented cyclin D(2) protein levels in insulin-resistant rats

It is well known that glucocorticoids induce peripheral insulin resistance in rodents and humans. Here, we investigated the structural and ultrastructural modifications, as well as the proteins involved in beta-cell function and proliferation, in islets from insulin-resistant rats. Adult male Wistar rats were made insulin resistant by daily administration of dexamethasone (DEX; 1mg/kg, i.p.) for five consecutive days, whilst control (CTL) rats received saline alone. Structure analyses showed a marked hypertrophy of DEX islets with an increase of 1.7-fold in islet mass and of 1.6-fold in islet density compared with CTL islets (P < 0.05). Ultrastructural evaluation of islets revealed an increased amount of secreting organelles, such as endoplasmic reticulum and Golgi apparatus in DEX islets. Mitotic figures were observed in DEX islets at structural and ultrastructural levels. Beta-cell proliferation, evaluated at the immunohistochemical level using anti-PCNA (proliferating cell nuclear antigen), showed an increase in pancreatic beta-cell proliferation of 6.4-fold in DEX islets compared with CTL islets (P < 0.0001). Increases in insulin receptor substrate-2 (IRS-2), phosphorylated-serine-threonine kinase AKT (p-AKT), cyclin D(2) and a decrease in retinoblastoma protein (pRb) levels were observed in DEX islets compared with CTL islets (P < 0.05). Therefore, during the development of insulin resistance, the endocrine pancreas adapts itself increasing beta-cell mass and proliferation, resulting in an amelioration of the functions. The potential mechanisms that underlie these events involve the activation of the IRS-2/AKT pathway and activation of the cell cycle, mediated by cyclin D(2). These adaptations permit the maintenance of glycaemia at near-physiological ranges.