Synaptic vesicle pool size, release probability and synaptic depression are sensitive to Ca2+ buffering capacity in the developing rat calyx of Held

The calyx of Held, a specialized synaptic terminal in the medial nucleus of the trapezoid body, undergoes a series of changes during postnatal development that prepares this synapse for reliable high frequency firing. These changes reduce short-term synaptic depression during tetanic stimulation and thereby prevent action potential failures during a stimulus train. We measured presynaptic membrane capacitance changes in calyces from young postnatal day 5-7 (p5-7) or older (p10-12) rat pups to examine the effect of calcium buffer capacity on vesicle pool size and the efficiency of exocytosis. Vesicle pool size was sensitive to the choice and concentration of exogenous Ca2+ buffer, and this sensitivity was much stronger in younger animals. Pool size and exocytosis efficiency in p5-7 calyces were depressed by 0.2 mM EGTA to a greater extent than with 0.05 mM BAPTA, even though BAPTA is a 100-fold faster Ca2+ buffer. However, this was not the case for p10-12 calyces. With 5 mM EGTA, exocytosis efficiency was reduced to a much larger extent in young calyces compared to older calyces. Depression of exocytosis using pairs of 10-ms depolarizations was reduced by 0.2 mM EGTA compared to 0.05 mM BAPTA to a similar extent in both age groups. These results indicate a developmentally regulated heterogeneity in the sensitivity of different vesicle pools to Ca2+ buffer capacity. We propose that, during development, a population of vesicles that are tightly coupled to Ca2+ channels expands at the expense of vesicles more distant from Ca2+ channels.

Limb immobilization alters functional electrophysiological parameters of sciatic nerve

Immobilization, used in clinical practice to treat traumatologic problems, causes changes in muscle, but it is not known whether changes also occur in nerves. We investigated the effects of immobilization on excitability and compound action potential (CAP) and the ultrastructure of the rat sciatic nerve. Fourteen days after immobilization of the right leg of adult male Wistar rats (n=34), animals were killed and the right sciatic nerve was dissected and mounted in a moist chamber. Nerves were stimulated at a baseline frequency of 0.2 Hz and tested for 2 min at 20, 50, and 100 Hz. Immobilization altered nerve excitability. Rheobase and chronaxy changed from 3.13±0.05 V and 52.31±1.95 µs (control group, n=13) to 2.84±0.06 V and 59.71±2.79 µs (immobilized group, n=15), respectively. Immobilization altered the amplitude of CAP waves and decreased the conduction velocity of the first CAP wave (from 93.63±7.49 to 79.14±5.59 m/s) but not of the second wave. Transmission electron microscopy showed fragmentation of the myelin sheath of the sciatic nerve of immobilized limbs and degeneration of the axon. In conclusion, we demonstrated that long-lasting leg immobilization can induce alterations in nerve function.

Myocardial remodeling and bioelectric changes in tachycardia-induced heart failure in dogs

In this study, electrical and structural remodeling of ventricles was examined in tachycardia-induced heart failure (HF). We studied two groups of weight-matched adult male mongrel dogs: a sham-operated control group (n=5) and a pacing group (n=5) that underwent ventricular pacing at 230 bpm for 3 weeks. Clinical symptoms of congestive HF were observed in both groups. Their hemodynamic parameters were determined and the severity of the HF was evaluated by M-mode echocardiography. Changes in heart morphology were observed by scanning electron and light microscopy. Ventricular action potential duration (APD), as well as the 50 and 90% APD were measured in both groups. All dogs exhibited clinical symptoms of congestive HF after rapid right ventricular pacing for 3 weeks. These data indicate that rapid, right ventricular pacing produces a useful experimental model of low-output HF in dogs, characterized by biventricular pump dysfunction, biventricular cardiac dilation, and non-ischemic impairment of left ventricular contractility. Electrical and structural myocardial remodeling play an essential role in congestive HF progression, and should thus be prevented.

Estragole blocks neuronal excitability by direct inhibition of Na+ channels

Estragole is a volatile terpenoid, which occurs naturally as a constituent of the essential oils of many plants. It has several pharmacological and biological activities. The objective of the present study was to investigate the mechanism of action of estragole on neuronal excitability. Intact and dissociated dorsal root ganglion neurons of rats were used to record action potential and Na+ currents with intracellular and patch-clamp techniques, respectively. Estragole blocked the generation of action potentials in cells with or without inflexions on their descendant (repolarization) phase (Ninf and N0 neurons, respectively) in a concentration-dependent manner. The resting potentials and input resistances of Ninf and N0 cells were not altered by estragole (2, 4, and 6 mM). Estragole also inhibited total Na+ current and tetrodotoxin-resistant Na+ current in a concentration-dependent manner (IC50 of 3.2 and 3.6 mM, respectively). Kinetic analysis of Na+ current in the presence of 4 mM estragole showed a statistically significant reduction of fast and slow inactivation time constants, indicating an acceleration of the inactivation process. These data demonstrate that estragole blocks neuronal excitability by direct inhibition of Na+ channel conductance activation. This action of estragole is likely to be relevant to the understanding of the mechanisms of several pharmacological effects of this substance.

Essential oil of Lippia alba and its main constituent citral block the excitability of rat sciatic nerves

Lippia alba is empirically used for infusions, teas, macerates, and hydroalcoholic extracts because of its antispasmodic, analgesic, sedative, and anxiolytic effects. Citral is a mixture of trans-geranial and cis-neral and is the main constituent of L. alba essential oil and possesses analgesic, anxiolytic, anticonvulsant, and sedative effects. The present study evaluated the effects of the essential oil of L. alba (EOLa) and citral on compound action potentials (CAPs) in Wistar rat sciatic nerves. Both drugs inhibited CAP in a concentration-dependent manner. The calculated half-maximal inhibitory concentrations (IC50) of peak-to-peak amplitude were 53.2 µg/mL and 35.00 µg/mL (or 230 µM) for EOLa and citral, respectively. Peak-to-peak amplitude of the CAP was significantly reduced by 30 µg/mL EOLa and 10 µg/mL citral. EOLa and citral (at 60 and 30 µg/mL, values close to their respective IC50 for CAP blockade) significantly increased chronaxy and rheobase. The conduction velocity of the first and second CAP components was statistically reduced to ∼86% of control with 10 µg/mL EOLa and ∼90% of control with 3 µg/mL citral. This study showed that EOLa inhibited nerve excitability and this effect can be explained by the presence of citral in its composition. Both EOLa and citral showed inhibitory actions at lower concentrations compared with other essential oils and constituents with local anesthetic activity. In conclusion, these data demonstrate that EOLa and citral are promising agents in the development of new drugs with local anesthetic activity.

Base moléculaire et rôle du courant potassique transitoire I(A) des interneurones de l'hippocampe chez le rongeur

Les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent la mémoire et l’apprentissage chez les mammifères sont incomplètement compris. Le rythme thêta de l’hippocampe constitue l’état « en ligne » de cette structure qui est cruciale pour la mémoire déclarative. Dans la région CA1 de l’hippocampe, les interneurones inhibiteurs LM/RAD démontrent des oscillations de potentiel membranaire (OPM) intrinsèques qui pourraient se révéler importantes pour la génération du rythme thêta. Des travaux préliminaires ont suggéré que le courant K+ I(A) pourrait être impliqué dans la génération de ces oscillations. Néanmoins, peu de choses sont connues au sujet de l’identité des sous-unités protéiques principales et auxiliaires qui soutiennent le courant I(A) ainsi que l’ampleur de la contribution fonctionnelle de ce courant K+ dans les interneurones. Ainsi, cette thèse de doctorat démontre que le courant I(A) soutient la génération des OPM dans les interneurones LM/RAD et que des protéines Kv4.3 forment des canaux qui contribuent à ce courant. De plus, elle approfondit les connaissances sur les mécanismes qui régissent les interactions entre les sous-unités principales de canaux Kv4.3 et les protéines accessoires KChIP1. Finalement, elle révèle que la protéine KChIP1 module le courant I(A)-Kv4.3 natif et la fréquence de décharge des potentiels d’action dans les interneurones. Nos travaux contribuent à l’avancement des connaissances dans le domaine de la modulation de l’excitabilité des interneurones inhibiteurs de l’hippocampe et permettent ainsi de mieux saisir les mécanismes qui soutiennent la fonction de l’hippocampe et possiblement la mémoire chez les mammifères.

Remodelage électrique cardiaque dans des modèles murins de cardiomyopathies

Les cardiomyopathies sont une atteinte du myocarde qui se présente sous différentes formes telles que l’hypertrophie ou la dilatation des chambres cardiaques. Ces maladies du muscle cardiaque peuvent affecter la contraction cardiaque et dégénèrer en insuffisance cardiaque. Aussi, l’hypertrophie et l’insuffisance cardiaques sont associées à une augmentation de la morbidité et de la mortalité cardiovasculaires principalement due au remodelage électrique et à la survenue d’arythmies. De plus, le retard de repolarisation, associé à une diminution des courants K+, est un des troubles cardiaques les plus couramment observés lors de ces pathologies cardiaques. L’angiotensine II (Ang II) et la norépinéphrine, principaux effecteurs du système rénine-angiotensine et du système nerveux sympathique, peuvent tous deux agir directement sur le cœur en liant les récepteurs de type 1 de l’Ang II (AT1) et les récepteurs adrénergiques. L’Ang II et la norépinéphrine sont associées au développement des cardiomyopathies, au remodelage cardiaque et à une prolongation de la durée du potentiel d'action cardiaque. Deux modèles de souris trangéniques surexprimant spécifiquement au niveau cardiaque les récepteurs AT1 (la souris AT1R) ou les récepteurs α1B-adrénergiques (la souris α1B-AR) ont été créés afin d’étudier les effets de ces stimuli sur le cœur. Ces deux modèles de souris développent du remodelage cardiaque, soit de l’hypertrophie chez les souris AT1R (cardiomyopathie hypertrophique) ou une dilatation des chambres cardiaques chez les souris α1B-AR (cardiomyopathie dilatée). Au stade avancé de la maladie, les deux modèles de souris transgéniques sont insuffisants cardiaques. Des données préliminaires ont aussi montré que les souris AT1R et les souris α1B-AR ont une incidence accrue d’arythmies ainsi qu’une prolongation de la durée du potentiel d’action. De plus, ces deux modèles de souris meurent subitement et prématurément, ce qui laissait croire qu’en conditions pathologiques, l’activation des récepteurs AT1 ou des récepteurs α1B-adrénergiques pouvait affecter la repolarisation et causer l’apparition d’arythmies graves. Ainsi, l’objectif de ce projet était de caractériser la repolarisation ventriculaire des souris AT1R et α1B-AR afin de déterminer si la suractivation chronique des récepteurs de l’Ang II ou des récepteurs 1B-adrénergiques pouvait affecter directement les paramètres électrophysiologiques et induire des arythmies. Les résultats obtenus ont révélé que les souris AT1R et les souris α1B-AR présentent un retard de repolarisation (prolongation de l’intervalle QTc (dans l’électrocardiogramme) et de la durée du potentiel d’action) causé par une diminution des courants K+ (responsables de la repolarisation). Aussi, l’incidence d’arythmies est plus importante dans les deux groupes de souris transgéniques comparativement à leur contrôle respectif. Finalement, nous avons vu que les troubles de repolarisation se produisent également dans les groupes de souris transgéniques plus jeunes, avant l’apparition de l’hypertrophie ou du remodelage cardiaque. Ces résultats suggèrent qu’en conditions pathologiques, l’activation chronique des récepteurs de l’Ang II ou des récepteurs α1B-adrénergiques peut favoriser le développement d’arythmies en retardant la repolarisation et cela, indépendamment de changements hémodynamiques ou du remodelage cardiaque. Les résultats de ces études pourront servir à comprendre les mécanismes responsables du développement d’arythmies cardiaques lors du remodelage et de l’insuffisance cardiaques et pourraient aider à optimiser le choix des traitements chez ces patients atteints ou à risque de développer de l’hypertrophie ou du remodelage cardiaque.

The Effects of Pro-inflammatory Cytokines on the L-type Calcium Current in Mouse Ventricular Myocytes

L’inflammation: Une réponse adaptative du système immunitaire face à une insulte est aujourd’hui reconnue comme une composante essentielle à presque toutes les maladies infectieuses ou autres stimuli néfastes, tels les dommages tissulaires incluant l’infarctus du myocarde et l’insuffisance cardiaque. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, l’inflammation se caractérise principalement par une activation à long terme du système immunitaire, menant à une faible, mais chronique sécrétion de peptides modulateurs, appelés cytokines pro-inflammatoires. En effet, la littérature a montré à plusieurs reprises que les patients souffrant d’arythmies et de défaillance cardiaque présentent des taux élevés de cytokines pro-inflammatoires tels le facteur de nécrose tissulaire alpha (TNFα), l’interleukine 1β (IL-1β) et l’interleukine 6. De plus, ces patients souffrent souvent d’une baisse de la capacité contractile du myocarde. Le but de notre étude était donc de déterminer si un lien de cause à effet existe entre ces phénomènes et plus spécifiquement si le TNFα, l’IL-1β et l’IL-6 peuvent affecter les propriétés électriques et contractiles du cœur en modulant le courant Ca2+ de type L (ICaL) un courant ionique qui joue un rôle primordial au niveau de la phase plateau du potentiel d’action ainsi qu’au niveau du couplage excitation-contraction. Les possibles méchansimes par lesquels ces cytokines exercent leurs effets seront aussi explorés. Pour ce faire, des cardiomyocytes ventriculaires de souris nouveau-nées ont été mis en culture et traités 24 heures avec des concentrations pathophysiologiques (30 pg/mL) de TNFα, IL-1β ou IL-6. Des enregistrements de ICaL réalisés par la technique du patch-clamp en configuration cellule entière ont été obtenus par la suite et les résultats montrent que le TNFα n’affecte pas ICaL, même à des concentrations plus élevées (1 ng/mL). En revanche, l’IL-1β réduisait de près de 40% la densité d’ICaL. Afin d’examiner si le TNFα et l’IL-1β pouvaient avoir un effet synergique, les cardiomyocytes ont été traité avec un combinaison des deux cytokines. Toutefois aucun effet synergique sur ICaL n’a été constaté. En outre, l’IL-6 réduisait ICaL significativement, cependant la réduction de 20% était moindre que celle induite par IL-1β. Afin d’élucider les mécanismes sous-jacents à la réduction de ICaL après un traitement avec IL-1β, l’expression d’ARNm de CaV1.2, sous-unité α codante pour ICaL, a été mesurée par qPCR et les résultats obtenus montrent aucun changement du niveau d’expression. Plusieurs études ont montré que l’inflammation et le stress oxydatif vont de pair. En effet, l’imagerie confocale nous a permis de constater une augmentation accrue du stress oxydatif induit par IL-1β et malgré un traitement aux antioxydants, la diminution de ICaL n’a pas été prévenue. Cette étude montre qu’IL-1β et IL-6 réduisent ICaL de façon importante et ce indépendamment d’une régulation transcriptionelle ou du stress oxydatif. De nouvelles données préliminaires suggèrent que ICaL serait réduit suite à l’activation des protéines kinase C mais des études additionelles seront nécessaires afin d’étudier cette avenue. Nos résultats pourraient contribuer à expliquer les troubles du rythme et de contractilité observés chez les patients souffrant de défaillance cardiaque.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.

Biopacemaker acceleration without increased synchronization by chronic exposure to phorbol myristate acetate

L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste.

G protein ss gamma subunits mediate presynaptic inhibition of transmitter release from rat superior cervical ganglion neurones in culture

The activation of presynaptic G protein-coupled receptors (GPCRs) is widely reported to inhibit transmitter release; however, the lack of accessibility of many presynaptic terminals has limited direct analysis of signalling mediators. We studied GPCR-mediated inhibition of fast cholinergic transmission between superior cervical ganglion neurones (SCGNs) in culture. The adrenoceptor agonist noradrenaline (NA) caused a dose-related reduction in evoked excitatory postsynaptic potentials (EPSPs). NA-induced EPSP decrease was accompanied by effects on the presynaptic action potential (AP), reducing AP duration and amplitude of the after-hyperpolarization (AHP), without affecting the pre- and postsynaptic membrane potential. All effects of NA were blocked by yohimbine and synaptic transmission was reduced by clonidine, consistent with an action at presynaptic alpha 2-adrenoceptors. NA-induced inhibition of transmission was sensitive to pre-incubation of SCGNs with pertussis toxin (PTX), implicating the involvement of G alpha(i)/(o)beta y subunits. Expression of G alpha transducin, an agent which sequesters G protein beta gamma (G beta y) subunits, in the presynaptic neurone caused a time-dependent attenuation of NA-induced inhibition. Injection of purified G beta gamma subunits into the presynaptic neurone inhibited transmission, and also reduced the AHP amplitude. Furthermore, NA-induced inhibition was occluded by pre-injection of G beta gamma subunits. The Ca2+ channel blocker Cd2+ mimicked NA effects on transmitter release. Cd2+, NA and G beta gamma subunits also inhibited somatic Ca2+ current. In contrast to effects on AP-evoked transmitter release, NA had no clear action on AP-independent EPSPs induced by hypertonic solutions. These results demonstrate that G beta gamma subunits functionally mediate inhibition of transmitter release by alpha 2-adrenoceptors and represent important regulators of synaptic transmission at mammalian presynaptic terminals.

The effects of paeonol on the electrophysiological properties of cardiac ventricular myocytes

Previous studies have shown that "Mudanpi", a Chinese herbal medicine, has a significant cardioprotective effect against myocardial ischaemia. Based on these findings we hypothesised that paeonol, the main component of Mudanpi, might have an effect on the cellular electrophysiology of cardiac ventricular myocytes. The effects of paeonol on the action potential and ion channels of cardiac ventricular myocytes were studied using the standard whole-cell configuration of the patch-clamp technique. Ventricular myocytes were isolated from the hearts of adult guinea-pig by enzymic dispersion. The myocytes were continuously perfused with various experimental solutions at room temperature and paeonol applied in the perfusate. Action potentials and membrane currents were recorded using both current and voltage clamp modes of the patch-clamp technique. Paeonol, at concentrations 160 mu M and 640 mu M, decreased the action potential upstroke phase, an action associated with the blockade of the voltage-gated, fast sodium channel. The effects of paeonol on both action potential and Na+ current were concentration dependent. Paeonol had a high affinity for inactivated sodium channels. Paeonol also shortened the action potential duration, in a manner not associated with the blockade of the calcium current, or the enhancement of potassium currents. These findings suggest that paeonol, and therefore Mudanpi, may possess antiarrhythmic activity, which may confer its cardioprotective effects. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

The SV2A ligand levetiracetam inhibits presynaptic Ca2+ channels via an intracellular pathway

Levetiracetam (LEV) is a prominent antiepileptic drug (AED) which binds to neuronal synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A) protein and has reported effects on ion channels, but retains a poorly-defined mechanism of action. Here, we investigate inhibition of voltage-dependent Ca2+ (CaV) channels as a potential mechanism by which LEV imparts effects on neuronal activity. We used electrophysiological methods to investigate the effects of LEV on cholinergic synaptic transmission and CaV channel activity in superior cervical ganglion neurons (SCGNs). In parallel, we investigated effects of the LEV ‘inactive’ R-enantiomer, UCB L060. Thus, LEV, but not UCB L060 (each 100 μM), inhibited synaptic transmission between SCGNs in long-term culture in a time-dependent manner, significantly reducing excitatory postsynaptic potentials (EPSP) following ≥30 min application. In isolated SCGNs, LEV pretreatment (≥1 h), but not acute (5 min) application, significantly inhibited whole-cell IBa amplitude. In current clamp recordings, LEV reduced the amplitude of the afterhyperpolarizing potential (AHP) in a Ca2+-dependent manner, but also increased action potential (AP) latency in a Ca2+-independent manner, suggesting further mechanisms associated with reduced excitability. Intracellular LEV application (4-5 min) caused a rapid inhibition of IBa amplitude to an extent comparable to that seen following extracellular LEV pretreatment ( ≥ 1 h). Neither pretreatment nor intracellular application of UCB L060 produced any inhibitory effects on IBa amplitude. These results identify a stereospecific intracellular pathway by which LEV inhibits presynaptic CaV channels; resultant reductions in neuronal excitability are proposed to contribute to the anticonvulsant effects of LEV.

Voltage-gated potassium currents within the dorsal vagal nucleus: inhibition by BDS toxin

Voltage-gated potassium (Kv) channels are essential components of neuronal excitability. The Kv3.4 channel protein is widely distributed throughout the central nervous system (CNS), where it can form heteromeric or homomeric Kv3 channels. Electrophysiological studies reported here highlight a functional role for this channel protein within neurons of the dorsal vagal nucleus (DVN). Current clamp experiments revealed that blood depressing substance (BDS) and intracellular dialysis of an anti-Kv3.4 antibody prolonged the action potential duration. In addition, a BDS sensitive, voltage-dependent, slowly inactivating outward current was observed in voltage clamp recordings from DVN neurons. Electrical stimulation of the solitary tract evoked EPSPs and IPSPs in DVN neurons and BDS increased the average amplitude and decreased the paired pulse ratio, consistent with a presynaptic site of action. This presynaptic modulation was action potential dependent as revealed by ongoing synaptic activity. Given the role of the Kv3 proteins in shaping neuronal excitability, these data highlight a role for homomeric Kv3.4 channels in spike timing and neurotransmitter release in low frequency firing neurons of the DVN.

Phosphorylation of the voltage-gated potassium channel Kv2.1 by AMP-activated protein kinase regulates membrane excitability

Firing of action potentials in excitable cells accelerates ATP turnover. The voltage-gated potassium channel Kv2.1 regulates action potential frequency in central neurons, whereas the ubiquitous cellular energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated by ATP depletion and protects cells by switching off energy-consuming processes. We show that treatment of HEK293 cells expressing Kv2.1 with the AMPK activator A-769662 caused hyperpolarizing shifts in the current-voltage relationship for channel activation and inactivation. We identified two sites (S440 and S537) directly phosphorylated on Kv2.1 by AMPK and, using phosphospecific antibodies and quantitative mass spectrometry, show that phosphorylation of both sites increased in A-769662-treated cells. Effects of A-769662 were abolished in cells expressing Kv2.1 with S440A but not with S537A substitutions, suggesting that phosphorylation of S440 was responsible for these effects. Identical shifts in voltage gating were observed after introducing into cells, via the patch pipette, recombinant AMPK rendered active but phosphatase-resistant by thiophosphorylation. Ionomycin caused changes in Kv2.1 gating very similar to those caused by A-769662 but acted via a different mechanism involving Kv2.1 dephosphorylation. In cultured rat hippocampal neurons, A-769662 caused hyperpolarizing shifts in voltage gating similar to those in HEK293 cells, effects that were abolished by intracellular dialysis with Kv2.1 antibodies. When active thiophosphorylated AMPK was introduced into cultured neurons via the patch pipette, a progressive, time-dependent decrease in the frequency of evoked action potentials was observed. Our results suggest that activation of AMPK in neurons during conditions of metabolic stress exerts a protective role by reducing neuronal excitability and thus conserving energy.