Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

L’effet de la surexpression du récepteur de type 1 à l’angiotensine II sur les courants potassiques et calciques au niveau des oreillettes

Le système rénine-angiotensine est impliqué dans le remodelage structurel et électrique caractérisant la fibrillation auriculaire (FA). L’angiotensine II (ANG II) induit le développement de fibrose et d’hypertrophie au niveau des oreillettes, prédisposant à la FA. Or, les mécanismes électrophysiologiques par lesquels l’ANG II pourrait promouvoir la FA sont peu connus. L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques au niveau auriculaire indépendamment du remodelage structurel. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de patch-clamp avec un modèle de souris surexprimant le récepteur de type 1 à l’angiotensine II (AT1R) spécifiquement au niveau cardiaque. Pour distinguer les effets directs de la surexpression d’AT1R des effets induits par le remodelage cardiaque, nous avons étudié des souris âgées de 180 jours, qui présentent du remodelage structurel, et des souris âgées de 50 jours, qui n’en présentent pas. Des études précédentes sur ce modèle ont montré qu’au niveau des myocytes ventriculaires, l’ANG II réduit le courant potassique global (Ipeak) et rectifiant entrant (IK1) ainsi que le courant calcique de type L (ICaL). Ainsi, notre hypothèse est que l’ANG II modulera aussi ces courants au niveau auriculaire, pouvant ainsi augmenter l’hétérogénéité de repolarisation auriculaire et de ce fait le risque de développer et maintenir la FA. Nous avons observé une diminution significative de la densité d’IK1 dans l’oreillette gauche des souris transgéniques sans changement d’Ipeak. De plus, la densité d’ ICaL n’est pas réduite chez les souris transgéniques âgées de 50 jours. En conclusion, l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques semble dépendre de la chambre cardiaque. En effet, nous savions que l’ANGII réduisait Ipeak, IK1 et ICaL au niveau ventriculaire, mais nos résultats ont montré qu’il ne les affectait pas directement au niveau des oreillettes. Ceci suggère des mécanismes de régulation impliquant des voies de signalisation distinctes selon les chambres cardiaques. Enfin, nos résultats montrant l’absence de l’influence directe de la surexpression d’AT1R sur les canaux K+ et Ca2+ au niveau des myocytes auriculaires renforcent l’importance d’approfondir nos connaissances sur les effets de l’angiotensine II sur le développement de la fibrose, sur le remodelage structurel et sur la conduction électrique cardiaque.

Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.

Increased Insulin Secretion by Muscarinic M1 and M3 Receptor Function from Rat Pancreatic Islets in vitro

Parasympathetic system plays an important role in insulin secretion from the pancreas. Cholinergic effect on pancreatic beta cells exerts primarily through muscarinic receptors. In the present study we investigated the specific role of muscarinic M1 and M3 receptors in glucose induced insulin secretion from rat pancreatic islets in vitro. The involvement of muscarinic receptors was studied using the antagonist atropine. The role of muscarinic MI and M3 receptor subtypes was studied using subtype specific antagonists. Acetylcholine agonist, carbachol, stimulated glucose induced insulin secretion at low concentrations (10-8-10-5 M) with a maximum stimulation at 10-7 M concentration. Carbachol-stimulated insulin secretion was inhibited by atropine confirming the role of muscarinic receptors in cholinergic induced insulin secretion. Both M1 and M3 receptor antagonists blocked insulin secretion induced by carbachol. The results show that M3 receptors are functionally more prominent at 20 mM glucose concentration when compared to MI receptors. Our studies suggest that muscarinic M1 and M3 receptors function differentially regulate glucose induced insulin secretion, which has clinical significance in glucose homeostasis.

Dopaminergic Regulation of Glucose-induced Insulin Secretion through Dopamine D2 Receptors in the Pancreatic Islets In Vitro

The stimulatory effect of dopamine through dopamine 1)2 receptor on glucose - induced insulin secretion was studied in the pancreatic islets in nitro. I)oparnilie signifieanlly stimula(ed insulin secretion at a concentration of 10 a N1 in the presence of high,glucose ( 20 nii1 ). ' fhe higher concentrations of dopamine (111 -1() 4) inhibited glucose- induced insulin secretion in the presence of both 4 mM1 and 20 m M glucose. Stimulatory and inhibitory effect of dopamine on glucose - induced insulin secretion was reverted by the addition of dopamine 1)2 receptor antagonists such as butaclamol and sulpiride . Norepinephrine (NE) at 111 4 11 concentration inhibited the dopamine uptake as well as its stimulatory effect at 11) - 8 IN1 concentration on glucose induced insulin secretion. Our results suggest that dopamine exerts a differential effect on glucose -induced insulin secretion through dopamine D2 receptor and it is essential for the regulation of glucose-induced insulin secretion by pancreatic islets.

MUSCARINIC M1 AND M3 RECEPTOR GENE EXPRESSION DURING PANCREATIC REGENERATION AND INSULIN SECRETION IN RATS

The present work is an attempt to understand the role of acetylcholine muscarinic M1 and M3 receptors during pancreatic regeneration and insulin secretion. The work focuses on the changes in the muscarinic M1 and M3 receptors in brain and pancreas during pancreatic regeneration. The effect of these receptor subtypes on insulin secretion and pancreatic P-cell proliferation were studied in vitro using rat primary pancreatic islet culture. Muscarinic Ml and M3 receptor kinetics and gene expression studies during pancreatic regeneration and insulin secretion will help to elucidate the role of acetylcholine functional regulation of pancreatic u-cell proliferation and insulin secretion.The cholinergic system through muscarinic M1 and M3 receptors play an important role in the regulation of pancreatic (3-cell proliferation and insulin secretion . Cholinergic activity as indicated by acetylcholine esterase, a marker for cholinergic system, decreased in the brain regions - hypothalamus, brain stem, corpus striatum, cerebral cortex and cerebellum during pancreatic regeneration. Pancreatic muscarinic M1 and M3 receptor activity increased during proliferation indicating that both receptors are stimulatory to (3-cell division. Acetylcholine dose dependently increase EGF induced DNA synthesis in pancreatic islets in vitro, which is inhibited by muscarinic antagonist atropine confirming the role of muscarinic receptors. Muscarinic M1 and M3 receptor antagonists also block acetycholine induced DNA synthesis suggesting the importance of these receptors in regeneration. Acetylcholine also stimulated glucose induced insulin secretion in vitro which is inhibited by muscarinic M1 and M3 receptor antagonists. The muscarinic receptors activity and their functional balance in the brain and pancreas exert a profound influence in the insulin secretion and also regeneration of pancreas

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Toxina botulínica en manejo de síntomas del tracto urinario bajo en pacientes con hiperplasia prostática benigna - revisión sistemática de la literatura

Revisión sistemática de la literatura tomando ensayos clínicos aleatorizados sobre el uso de la inyección intraprostática de la toxina botulínica en los pacientes con hiperplasia prostática benigna evaluando una escala validada de síntomas del tracto urinario bajo como desenlace primario

Neurokinin B is a paracrine vasodilator in the human fetal placental circulation

Neurokinin (NK) B is a member of the tachykinin family of neurotransmitters, exerting hypotensive or hypertensive effects in the mammalian vasculature through synaptic release from peripheral neurons, according to either NK1 and NK2 or NK3 receptor subtype expression, respectively. There is recent evidence that NKB is expressed by the syncytiotrophoblast of the human placenta, an organ that is not innervated. We hypothesized that NKB is a paracrine modulator of tone in the fetal placental circulation. We tested this hypothesis using the in vitro perfused human placental cotyledon. Our data show that NKB is a dilator of the fetal vasculature, causing a maximal 25.1+/-4.5% (mean+/-SEM; n=5) decrease in fetal-side arterial hydrostatic pressure (5-muM NKB bolus; effective concentration in the circulation, 1.89 nM) after preconstriction with U-46619. RT-PCR demonstrated the presence of mRNA for NK1 and NK2 tachykinin receptors in the placenta. Using selective receptor antagonists, we found that NKB-induced vasodilation is through the NK1 receptor subtype. We found no evidence for the involvement of either nitric oxide or prostacyclin in this response. This study demonstrates a paracrine role for NKB in the regulation of fetal placental vascular tone.

Evidence that GABA rho subunits contribute to functional ionotropic GABA receptors in mouse cerebellar Purkinje cells

Ionotropic gamma-amino butyric acid (GABA) receptors composed of heterogeneous molecular subunits are major mediators of inhibitory responses in the adult CNS. Here, we describe a novel ionotropic GABA receptor in mouse cerebellar Purkinje cells (PCs) using agents reported to have increased affinity for rho subunit-containing GABA(C) over other GABA receptors. Exogenous application of the GABA(C)-preferring agonist cis-4-aminocrotonic acid (CACA) evoked whole-cell currents in PCs, whilst equimolar concentrations of GABA evoked larger currents. CACA-evoked currents had a greater sensitivity to the selective GABA(C) antagonist (1,2,5,6-tetrahydropyridin-4-yl)methylphosphinic acid (TPMPA) than GABA-evoked currents. Focal application of agonists produced a differential response profile; CACA-evoked currents displayed a much more pronounced attenuation with increasing distance from the PC soma, displayed a slower time-to-peak and exhibited less desensitization than GABA-evoked currents. However, CACA-evoked currents were also completely blocked by bicuculline, a selective agent for GABA(A) receptors. Thus, we describe a population of ionotropic GABA receptors with a mixed GABA(A)/GABA(C) pharmacology. TPMPA reduced inhibitory synaptic transmission at interneurone-Purkinje cell (IN-PC) synapses, causing clear reductions in miniature inhibitory postsynaptic current (mIPSC) amplitude and frequency. Combined application of NO-711 (a selective GABA transporter subtype 1 (GAT-1) antagonist) and SNAP-5114 (a GAT-(2)/3/4 antagonist) induced a tonic GABA conductance in PCs; however, TPMPA had no effect on this current. Immunohistochemical studies suggest that rho subunits are expressed predominantly in PC soma and proximal dendritic compartments with a lower level of expression in more distal dendrites; this selective immunoreactivity contrasted with a more uniform distribution of GABA(A) alpha 1 subunits in PCs. Finally, co-immunoprecipitation studies suggest that rho subunits can form complexes with GABA(A) receptor alpha 1 subunits in the cerebellar cortex. Overall, these data suggest that rho subunits contribute to functional ionotropic receptors that mediate a component of phasic inhibitory GABAergic transmission at IN-PC synapses in the cerebellum.

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

Endosomal endothelin-converting enzyme-1: a regulator of beta-arrestin-dependent ERK signaling

Neuropeptide signaling at the cell surface is regulated by metalloendopeptidases, which degrade peptides in the extracellular fluid, and beta-arrestins, which interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to mediate desensitization. beta-Arrestins also recruit GPCRs and mitogen-activated protein kinases to endosomes to allow internalized receptors to continue signaling, but the mechanisms regulating endosomal signaling are unknown. We report that endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades substance P (SP) in early endosomes of epithelial cells and neurons to destabilize the endosomal mitogen-activated protein kinase signalosome and terminate signaling. ECE-1 inhibition caused endosomal retention of the SP neurokinin 1 receptor, beta-arrestins, and Src, resulting in markedly sustained ERK2 activation in the cytosol and nucleus, whereas ECE-1 overexpression attenuated ERK2 activation. ECE-1 inhibition also enhanced SP-induced expression and phosphorylation of the nuclear death receptor Nur77, resulting in cell death. Thus, endosomal ECE-1 attenuates ERK2-mediated SP signaling in the nucleus to prevent cell death. We propose that agonist availability in endosomes, here regulated by ECE-1, controls beta-arrestin-dependent signaling of endocytosed GPCRs.

Protease-activated receptor 2, dipeptidyl peptidase I, and proteases mediate Clostridium difficile toxin A enteritis

BACKGROUND & AIMS: We studied the role of protease-activated receptor 2 (PAR(2)) and its activating enzymes, trypsins and tryptase, in Clostridium difficile toxin A (TxA)-induced enteritis. METHODS: We injected TxA into ileal loops in PAR(2) or dipeptidyl peptidase I (DPPI) knockout mice or in wild-type mice pretreated with tryptase inhibitors (FUT-175 or MPI-0442352) or soybean trypsin inhibitor. We examined the effect of TxA on expression and activity of PAR(2) and trypsin IV messenger RNA in the ileum and cultured colonocytes. We injected activating peptide (AP), trypsins, tryptase, and p23 in wild-type mice, some pretreated with the neurokinin 1 receptor antagonist SR140333. RESULTS: TxA increased fluid secretion, myeloperoxidase activity in fluid and tissue, and histologic damage. PAR(2) deletion decreased TxA-induced ileitis, reduced luminal fluid secretion by 20%, decreased tissue and fluid myeloperoxidase by 50%, and diminished epithelial damage, edema, and neutrophil infiltration. DPPI deletion reduced secretion by 20% and fluid myeloperoxidase by 55%. In wild-type mice, FUT-175 or MPI-0442352 inhibited secretion by 24%-28% and tissue and fluid myeloperoxidase by 31%-71%. Soybean trypsin inhibitor reduced secretion to background levels and tissue myeloperoxidase by up to 50%. TxA increased expression of PAR(2) and trypsin IV in enterocytes and colonocytes and caused a 2-fold increase in Ca(2+) responses to PAR(2) AP. AP, tryptase, and trypsin isozymes (trypsin I/II, trypsin IV, p23) caused ileitis. SR140333 prevented AP-induced ileitis. CONCLUSIONS: PAR(2) and its activators are proinflammatory in TxA-induced enteritis. TxA stimulates existing PAR(2) and up-regulates PAR(2) and activating proteases, and PAR(2) causes inflammation by neurogenic mechanisms.

NK1 receptor antagonism and the neural processing of emotional information in healthy volunteers

The neuropeptide substance P and its receptor NK1 have been implicated in emotion, anxiety and stress in preclinical studies. However, the role of NK1 receptors in human brain function is less clear and there have been inconsistent reports of the value of NK1 receptor antagonists in the treatment of clinical depression. The present study therefore aimed to investigate effects of NK1 antagonism on the neural processing of emotional information in healthy volunteers. Twenty-four participants were randomized to receive a single dose of aprepitant (125 mg) or placebo. Approximately 4 h later, neural responses during facial expression processing and an emotional counting Stroop word task were assessed using fMRI. Mood and subjective experience were also measured using self-report scales. As expected a single dose of aprepitant did not affect mood and subjective state in the healthy volunteers. However, NK1 antagonism increased responses specifically during the presentation of happy facial expressions in both the rostral anterior cingulate and the right amygdala. In the emotional counting Stroop task the aprepitant group had increased activation in both the medial orbitofrontal cortex and the precuneus cortex to positive vs. neutral words. These results suggest consistent effects of NK1 antagonism on neural responses to positive affective information in two different paradigms. Such findings confirm animal studies which support a role for NK1 receptors in emotion. Such an approach may be useful in understanding the effects of novel drug treatments prior to full-scale clinical trials.

Phenylephrine promotes phosphorylation of Bad in cardiac myocytes through the extracellular signal-regulated kinases 1/2 and protein kinase A.

Studies in non-cardiomyocytic cells have shown that phosphorylation of the Bcl-2 family protein Bad on Ser-112, Ser-136 and Ser-155 decreases its pro-apoptotic activity. Both phenylephrine (100 microM) and the cell membrane-permeating cAMP analog, 8-(4-chlorophenylthio)-cAMP (100 microM), protected against 2-deoxy-D-glucose-induced apoptosis in neonatal rat cardiac myocytes as assessed by terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling (TUNEL). In cardiac myocytes, phenylephrine primarily stimulates the alpha-adrenoceptor, but, at high concentrations (100 microM), it also increases the activity of the cAMP-dependent protein kinase, protein kinase A (PKA) through the beta-adrenoceptor. Phenylephrine (100 microM) promoted rapid phosphorylation of Bad(Ser-112) and Bad(Ser-155), though we were unable to detect phosphorylation of Bad(Ser-136). Phosphorylation of Bad(Ser-112) was antagonized by either prazosin or propranolol, indicating that this phosphorylation required stimulation of both alpha(1)- and beta-adrenoceptors. Phosphorylation of Bad(Ser-155) was antagonized only by propranolol and was thus mediated through the beta-adrenoceptor. Inhibitor studies and partial purification of candidate kinases by fast protein liquid chromatography showed that the p90 ribosomal S6 kinases, p90RSK2/3 [which are activated by the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2)] directly phosphorylated Bad(Ser-112), whereas the PKA catalytic subunit directly phosphorylated Bad(Ser-155). However, efficient phosphorylation of Bad(Ser-112) also required PKA activity. These data suggest that, although p90RSK2/3 phosphorylate Bad(Ser-112) directly, phosphorylation of this site is enhanced by phosphorylation of Bad(Ser-155). These phosphorylations potentially diminish the pro-apoptotic activity of Bad and contribute to the cytoprotective effects of phenylephrine and 8-(4-chlorophenylthio)-cAMP.