Molecular features of glycine-mediated neurotransmission in rat brain

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas (Neurociências), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2015

Exploring the modulatory role of A2A receptors in oligodendrogenesis derived from neural stem/progenitor cells of the subventricular zone

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2015

Effects of the naturally occurring food mycotoxin ochratoxin A on brain cells in culture.

The potential of ochratoxin A (OTA) to damage brain cells was studied by using a three-dimensional cell culture system as model for the developing brain. Aggregating cell cultures of foetal rat telencephalon were tested either during an early developmental period, or during a phase of advanced maturation, over a wide range of OTA concentrations (0.4 nM to 50 microM). By monitoring changes in activities of cell type-specific enzymes (ChAt and GAD, for cholinergic and GABAergic neurones, respectively, GS for astrocytes and CNP for oligodendrocytes), the concentration-dependent toxicity and neurodevelopmental effects of OTA were determined. OTA proved to be highly toxic, since a 10-day treatment at 50 nM caused a general cytotoxicity in both mature and immature cultures. At 10 nM of OTA, cell type-specific effects were observed: in immature cultures, a loss in neuronal and oligodendroglial enzyme activities, and an increase in the activity of the astroglial marker glutamine synthetase were found, Furthermore, at 2 and 10 nM of OTA, a clustering of microglial cells was observed. In mature cultures, OTA was somewhat less potent, but caused a similar pattern of toxic effects. A 24 h-treatment with OTA resulted in a concentration-dependent decrease in protein synthesis, with IC50 values of 25 nM and 33 nM for immature and mature cultures respectively. Acute (24 h) treatment at high OTA concentrations (10 to 50 microM) caused a significant increase in reactive oxygen species formation, as measured by the intracellular oxidation of 2',7'-dichlorofluorescin. These results suggest that OTA has the potential to be a potent toxicant to brain cells, and that its effects at nanomolar concentrations are primarily due to the inhibition of protein synthesis, whereas ROS seem not to be involved in the toxicity mediated by a chronic exposure to OTA at such low concentrations.

Creatine deficiency syndomes : a new model of partial GAMT deficiency affecting brain cell development

Les syndromes de déficiences cérébrales en créatine (CCDS) sont dus à des mutations dans les gènes GATM et G AMT (codant pour les enzymes AGAT et G AMT de la voie de synthèse de créatine) ainsi que SLC6A8 (transporteur de créatine), et génèrent une absence ou une très forte baisse de créatine (Cr) dans le cerveau, mesurée par spectroscopic de résonance magnétique. Les patients CCDS développent des handicaps neurologiques sévères. Les patients AGAT et GAMT peuvent être traités avec des doses importantes de Cr, mais gardent dans la plupart des cas des séquelles neurologiques irréversibles. Aucun traitement efficace n'existe à ce jour pour la déficience en SLC6A8. Bien que de nombreux modèles aient été développés pour comprendre la Cr cérébrale en conditions physiologiques, les pathomécanismes des CCDS ne sont pas encore compris. Des souris transgéniques pour les gènes Gatm, Gamt et Slc6a8 ont été générées, mais elles ne miment que partiellement la pathologie humaine. Parmi les CCDS, la déficience en GAMT est la plus sévère, en raison de l'accumulation cérébrale de l'intermédiaire guanidinoacétate (GAA). Alors que la toxicité cérébrale du GAA a été étudiée par exposition directe au GAA d'animaux adultes sains, les mécanismes de la toxicité du GAA en condition de déficience en GAMT dans le cerveau en développement sont encore inconnus. Le but de ce projet était donc de développer un modèle de déficience en GAMT dans des cultures 3D primaires de cellules nerveuses de rat en agrégats par knock-down du gène GAMT, en utilisant un virus adéno-associé (AAV) induisant le mécanisme d'interférence à l'ARN (RNAi). Le virus scAAV2, à la multiplicité d'infection de 1000, s'est révélé le plus efficace pour transduire tous les types de cellules nerveuses des cultures (neurones, astrocytes, oligodendrocytes), et générer un knock-down maximal de la protéine GAMT de 85% (jour in vitro 18). Cette déficience partielle en GAMT s'est révélée insuffisante pour générer une déficience en Cr, mais a causé l'accumulation attendue de GAA, à des doses comparables aux niveaux observés dans le LCR des patients GAMT. Le GAA a induit une croissance axonale anarchique accompagnée d'une baisse de l'apoptose naturelle, suivis par une induction tardive de mort cellulaire non-apoptotique. Le co-traitement par la Cr a prévenu tous les effets toxiques du GAA. Ce travail montre que l'accumulation de GAA en absence de déficience en Cr est suffisante pour affecter le développement du tissu nerveux, et suggère que des formes de déficiences en GAMT supplémentaires, ne présentant pas de déficiences en Cr, pourraient être découvertes par mesure du GAA, en particulier à travers les programmes récemment proposés de dépistage néonatal de la déficience en GAMT. -- Cerebral creatine deficiency syndromes (CCDS) are caused by mutations in the genes GATM and GAMT (respectively coding for the two enzymes of the creatine synthetic pathway, AGAT and GAMT) as well as SLC6A8 (creatine transporter), and lead to the absence or very strong decrease of creatine (Cr) in the brain when measured by magnetic resonance spectroscopy. Affected patients show severe neurological impairments. While AGAT and GAMT deficient patients can be treated with high dosages of Cr, most remain with irreversible brain sequelae. No treatment has been successful so far for SLC6A8 deficiency. While many models have helped understanding the cerebral Cr pathways in physiological conditions, the pathomechanisms underlying CCDS are yet to be elucidated. Transgenic mice carrying mutations in the Gatm, Gamt and Slc6a8 genes have been developed, but only partially mimic the human pathology. Among CCDS, GAMT deficiency is the most severe, due to the CNS accumulation of the guanidinoacetate (GAA) intermediate. While brain toxicity of GAA has been explored through direct GAA exposure of adult healthy animals, the mechanisms underlying GAA toxicity in GAMT deficiency conditions on the developing CNS are yet unknown. The aim of this project was thus to develop and characterize a GAMT deficiency model in developing brain cells by gene knockdown, by adeno-associated virus (AAV)-driven RNA interference (RNAi) in rat 3D organotypic primary brain cell cultures in aggregates. scAAV2 with a multiplicity of infection of 1000 was shown as the most efficient serotype, was able to transduce all brain cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and to induce a maximal GAMT protein knockdown of 85% (day in vitro 18). Metabolite analysis showed that partial GAMT knockdown was insufficient to induce Cr deficiency but generated the awaited GAA accumulation at concentrations comparable to the levels observed in cerebrospinal fluid of GAMT-deficient patients. Accumulated GAA induced axonal hypersprouting paralleled with inhibition of natural apoptosis, followed by a later induction in non-apoptotic cell death. Cr supplementation led to the prevention of all GAA-induced toxic effects. This work shows that GAA accumulation without Cr deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggests that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain Cr deficiency, may be discovered through GAA measurement including by recently proposed neonatal screening programs for GAMT deficiency.

Islet Brain 1 Protects Insulin Producing Cells against Lipotoxicity.

Chronic intake of saturated free fatty acids is associated with diabetes and may contribute to the impairment of functional beta cell mass. Mitogen activated protein kinase 8 interacting protein 1 also called islet brain 1 (IB1) is a candidate gene for diabetes that is required for beta cell survival and glucose-induced insulin secretion (GSIS). In this study we investigated whether IB1 expression is required for preserving beta cell survival and function in response to palmitate. Chronic exposure of MIN6 and isolated rat islets cells to palmitate led to reduction of the IB1 mRNA and protein content. Diminution of IB1 mRNA and protein level relied on the inducible cAMP early repressor activity and proteasome-mediated degradation, respectively. Suppression of IB1 level mimicked the harmful effects of palmitate on the beta cell survival and GSIS. Conversely, ectopic expression of IB1 counteracted the deleterious effects of palmitate on the beta cell survival and insulin secretion. These findings highlight the importance in preserving the IB1 content for protecting beta cell against lipotoxicity in diabetes.

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Développement et radiosynthèse de ligands du récepteur tyrosine kinase neurotrophique type 2 (TrkB) marqués aux carbone-11 et fluor-18 pour l’imagerie cérébrale par tomographie d’émission de positons

Ce mémoire présente mes travaux ayant menés au développement d’une première génération de radioligands marqués au fluor-18 (t1/2 = 110 min) et au carbone-11 (t1/2 = 20.4 min) destinés à l’imagerie cérébrale in vivo du récepteur tyrosine kinase neurotrophique de type 2 (TrkB) en tomographie par émission de positons (TEP). Ces travaux reposent sur l’identification récente de ligands de TrkB non peptidiques à hautes affinités dérivés du 7,8-dihydroxyflavone. La synthèse d’une série de dérivés du 7,8-dihydroxyflavone non-radioactifs de même que des précuseurs à l’incorporation du fluro-18 et du carbone-11 a d’abord été effectuée. Partant des précurseurs adéquats synthétisés, la radiosynthèse de deux radioligands, l’un marqué au fluor-18 et l’autre au carbone-11, a été développée. Ces radiosynthèses reposent respectivement sur une 18F-radiofluorination nucléophile aromatique nouvelle et hautement efficace et sur une 11C-méthylation N-sélective. Les radiotraceurs de TrkB ainsi obtenus ont ensuite été évalués in vitro en autoradiographie et in vivo en tant que traceurs TEP dans des rats. L’évaluation des propriétés physico-chimique de même que de la stabilité in vitro des radiotraceurs sont présentées. Partant d’une série d’analogues cristallisés de ces flavones synthétiques, une étude de relation structure-activité a été menée. La combinaison de cette étude, de pair avec l’évaluation in vivo de la première génération de radiotraceurs de TrkB a aussi permis d’investiguer les pharmacophores nécessaires à l’affinité de ces ligands de même que d’identifier des fragments structurels associés au métabolisme des radiotraceurs. La radiosynthèse d’un troisième radioligand de TrkB et son évaluation TEP in vivo de même que la mise en lumière des modifications structurelles utiles au développement d’une seconde génération de radioligands de TrkB avec des propriétés optimisées pour fin d’imagerie TEP sont aussi détaillés.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Flavonoids and brain health: multiple effects underpinned by common mechanisms

The neuroprotective actions of dietary flavonoids involve a number of effects within the brain, including a potential to protect neurons against injury induced by neurotoxins, an ability to suppress neuroinflammation, and the potential to promote memory, learning and cognitive function. This multiplicity of effects appears to be underpinned by two processes. Firstly, they interact with important neuronal signalling cascades leading to an inhibition of apoptosis triggered by neurotoxic species and to a promotion of neuronal survival and differentiation. These interactions include selective actions on a number of protein kinase and lipid kinase signalling cascades, most notably the PI3K/Akt and MAP kinase pathways which regulate pro-survival transcription factors and gene expression. Secondly, they induce peripheral and cerebral vascular blood flow in a manner which may lead to the induction of angiogenesis, and new nerve cell growth in the hippocampus. Therefore, the consumption of flavonoid-rich foods, such as berries and cocoa, throughout life holds a potential to limit the neurodegeneration associated with a variety of neurological disorders and to prevent or reverse normal or abnormal deteriorations in cognitive performance.

Blueberry-induced changes in spatial working memory correlate with changes in hippocampal CREB phosphorylation and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) levels

Phytochemical-rich foods have been shown to be effective at reversing age-related deficits in memory in both animals and humans. We show that a supplementation with a blueberry diet (2% w/w) for 12 weeks improves the performance of aged animals in spatial working memory tasks. This improvement emerged within 3 weeks and persisted for the remainder of the testing period. Memory performance correlated well with the activation of cAMP-response element-binding protein (CREB) and increases in both pro- and mature levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in the hippocampus. Changes in CREB and BDNF in aged and blueberry-supplemented animals were accompanied by increases in the phosphorylation state of extracellular signal-related kinase (ERK1/2), rather than that of calcium calmodulin kinase (CaMKII and CaMKIV) or protein kinase A. Furthermore, age and blueberry supplementation were linked to changes in the activation state of Akt, mTOR, and the levels of Arc/Arg3.1 in the hippocampus, suggesting that pathways involved in de novo protein synthesis may be involved. Although causal relationships cannot be made among supplementation, behavior, and biochemical parameters, the measurement of anthocyanins and flavanols in the brain following blueberry supplementation may indicate that changes in spatial working memory in aged animals are linked to the effects of flavonoids on the ERK-CREB-BDNF pathway. (c) 2008 Elsevier Inc. All Fights reserved.

Beyond antioxidants: the cellular and molecular interactions of flavonoids and how these underpin their actions on the brain

The consumption of flavonoid-rich foods and beverages has been suggested to limit the neurodegeneration associated with a variety of neurological disorders and to prevent or reverse normal or abnormal deteriorations in cognitive performance. Flavonoids mediate these effects via a number of routes, including a potential to protect neurons against injury induced by neurotoxins, an ability to suppress neuroinflammation and a potential to promote memory, learning and cognitive function. Originally, it was thought that such actions were mediated by the antioxidant capacity of flavonoids. However, their limited absorption and their low bioavailability in the brain suggest that this explanation is unlikely. Instead, this multiplicity of effects appears to be underpinned by three separate processes: first, through their interactions with important neuronal and glial signalling cascades in the brain, most notably the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt and mitogen-activated protein kinase pathways that regulate pro-survival transcription factors and gene expression; second, through an ability to improve peripheral and cerebral blood flow and to trigger angiogenesis and neurogenesis in the hippocampus; third, by their capacity to directly react with and scavenge neurotoxic species and pro-inflammatory agents produced in the brain as a result of both normal and abnormal brain ageing. The present review explores the potential inhibitory or stimulatory actions of flavonoids within these three systems and describes how such interactions are likely to underlie neurological effects.

New insights on regulation of LMTK2, a membrane kinase integrating pathways central to neurodegeneration

In a short communication in this issue (Manser et al. 2012), Christopher Miller’s group at the Institute of Psychiatry, King’s College London present an elegant and convincing set of experiments using molecular techniques to show that a brain-enriched membrane-associated protein kinase, lemur tyrosine kinase-2 (LMTK2), is directly phosphorylated by the cyclin-dependent kinase-5/p35 and this event is sufficient for LMTK2 to phosphorylate an abundant protein phosphatase, PP1C. LMTK2 has been little studied to date and, despite its name, is a kinase which phosphorylates serine or threonine residues of protein substrates. The paper adds to the evidence that this enzyme is a potentially important mediator positioned to integrate a number of intracellular signalling pathways relevant to neurodegeneration.

GRID and docking analyses reveal a molecular basis for flavonoid inhibition of src-family kinase activity

Flavonoids reduce cardiovascular disease risk through anti-inflammatory, anti-coagulant and anti-platelet actions. One key flavonoid inhibitory mechanism is blocking kinase activity that drives these processes. Flavonoids attenuate activities of kinases including phosphoinositide-3-kinase (PI3K), Fyn, Lyn, Src, Syk, PKC, PIM1/2, ERK, JNK, and PKA. X-ray crystallographic analyses of kinase-flavonoid complexes show that flavonoid ring systems and their hydroxyl substitutions are important structural features for their binding to kinases. A clearer understanding of structural interactions of flavonoids with kinases is necessary to allow construction of more potent and selective counterparts. We examined flavonoid (quercetin, apigenin and catechin) interactions with Src-family kinases (Lyn, Fyn and Hck) applying the Sybyl docking algorithm and GRID. A homology model (Lyn) was used in our analyses to demonstrate that high quality predicted kinase structures are suitable for flavonoid computational studies. Our docking results revealed potential hydrogen bond contacts between flavonoid hydroxyls and kinase catalytic site residues. Identification of plausible contacts indicated that quercetin formed the most energetically stable interactions, apigenin lacked hydroxyl groups necessary for important contacts, and the non-planar structure of catechin could not support predicted hydrogen bonding patterns. GRID analysis using a hydroxyl functional group supported docking results. Based on these findings, we predicted that quercetin would inhibit activities of Src-family kinases with greater potency than apigenin and catechin. We validated this prediction using in vitro kinase assays. We conclude that our study can be used as a basis to construct virtual flavonoid interaction libraries to guide drug discovery using these compounds as molecular templates.

Integration of steroid hormone initiated membrane action to genomic function in the brain

Estrogen is a ligand for the estrogen receptor (ER), which on binding 17beta-estradiol, functions as a ligand-activated transcription factor and regulates the transcription of target genes. This is the slow genomic mode of action. However, rapid non-genomic actions of estrogen also exist at the cell membrane. Using a novel two-pulse paradigm in which the first pulse rapidly initiates non-genomic actions using a membrane-limited estrogen conjugate (E-BSA), while the second pulse promotes genomic transcription from a consensus estrogen response element (ERE), we have demonstrated that rapid actions of estrogen potentiate the slower transcriptional response from an ERE-reporter in neuroblastoma cells. Since rapid actions of estrogen activate kinases, we used selective inhibitors in the two-pulse paradigm to determine the intracellular signaling cascades important in such potentiation. Inhibition of protein kinase A (PKA), PKC, mitogen activated protein kinase (MAPK) or phosphatidylinositol 3-OH kinase (PI-3K) in the first pulse decreases potentiation of transcription. Also, our data with both dominant negative and constitutive mutants of Galpha subunits show that Galpha(q) initiates the rapid signaling cascade at the membrane in SK-N-BE(2)C neuroblastoma cells. We discuss two models of multiple kinase activation at the membrane Pulses of estrogen induce lordosis behavior in female rats. Infusion of E-BSA into the ventromedial hypothalamus followed by 17beta-estradiol in the second pulse could induce lordosis behavior, demonstrating the applicability of this paradigm in vivo. A model where non-genomic actions of estrogen couple to genomic actions unites both aspects of hormone action.

Estrogen receptor-mediated transcription involves the activation of multiple kinase pathways in neuroblastoma cells

While many physiological effects of estrogens (E) are due to regulation of gene transcription by liganded estrogen receptors (ERs), several effects are also mediated, at least in part, by rapid non-genomic actions of E. Though the relative importance of rapid versus genomic effects in the central nervous system is controversial, we showed previously that membrane-limited effects of E, initiated by an estradiol bovine serum albumin conjugate (E2-BSA), could potentiate transcriptional effects of 17beta-estradiol from an estrogen response element (ERE)-reporter in neuroblastoma cells. Here, using specific inhibitors and activators in a pharmacological approach, we show that activation of phosphatidylinositol-3-phosphate kinase (PI3K) and mitogen activated protein kinase (MAPK) pathways, dependent on a Galphaq coupled receptor signaling are important in this transcriptional potentiation. We further demonstrate, using ERalpha phospho-deficient mutants, that E2-BSA mediated phosphorylation of ERalpha is one mechanism to potentiate transcription from an ERE reporter construct. This study provides a possible mechanism by which signaling from the membrane is coupled to transcription in the nucleus, providing an integrated view of hormone signaling in the brain.