Dynamic Range of Vertebrate Retina Ganglion Cells: Importance of Active Dendrites and Coupling by Electrical Synapses

The vertebrate retina has a very high dynamic range. This is due to the concerted action of its diverse cell types. Ganglion cells, which are the output cells of the retina, have to preserve this high dynamic range to convey it to higher brain areas. Experimental evidence shows that the firing response of ganglion cells is strongly correlated with their total dendritic area and only weakly correlated with their dendritic branching complexity. On the other hand, theoretical studies with simple neuron models claim that active and large dendritic trees enhance the dynamic range of single neurons. Theoretical models also claim that electrical coupling between ganglion cells via gap junctions enhances their collective dynamic range. In this work we use morphologically reconstructed multi-compartmental ganglion cell models to perform two studies. In the first study we investigate the relationship between single ganglion cell dynamic range and number of dendritic branches/total dendritic area for both active and passive dendrites. Our results support the claim that large and active dendrites enhance the dynamic range of a single ganglion cell and show that total dendritic area has stronger correlation with dynamic range than with number of dendritic branches. In the second study we investigate the dynamic range of a square array of ganglion cells with passive or active dendritic trees coupled with each other via dendrodendritic gap junctions. Our results suggest that electrical coupling between active dendritic trees enhances the dynamic range of the ganglion cell array in comparison with both the uncoupled case and the coupled case with cells with passive dendrites. The results from our detailed computational modeling studies suggest that the key properties of the ganglion cells that endow them with a large dynamic range are large and active dendritic trees and electrical coupling via gap junctions.

Connexin and pannexin (hemi) channels in the liver

The liver was among the first organs in which connexin proteins have been identified. Hepatocytes harbor connexin32 and connexin26, while non-parenchymal liver cells typically express connexin43. Connexins give rise to hemichannels, which dock with counterparts on adjacent cells to form gap junctions. Both hemichannels and gap junctions provide pathways for communication, via paracrine signaling or direct intercellular coupling, respectively. Over the years, hepatocellular gap junctions have been shown to regulate a number of liver-specific functions and to drive liver cell growth. In the last few years, it has become clear that connexin hemichannels are involved in liver cell death, particularly in hepatocyte apoptosis. This also holds true for hemichannels composed of pannexin1, a connexin-like protein recently identified in the liver. Moreover, pannexin1 hemichannels are key players in the regulation of hepatic inflammatory processes. The current paper provides a concise overview of the features of connexins, pannexins and their channels in the liver.

Untersuchungen zur Charakterisierung der Bystander-Effekte bei einer in vivo Therapie mit Suizidgenen

Untersuchungen zur Charakterisierung der Bystander-Effekte bei einer in vivo Therapie mit Suizidgenen Bei Tumoren eines syngenen Prostatakarzinoms der Ratte (Dunning R3327 AT-1), die zuvor ex vivo mit einem Fusionsgen aus Cytosin Deaminase und Tymidinkinase (AT-1/CDglyTK) transfiziert wurden, konnte durch Kombinationsbehandlung mit Ganciclovir (GCV) und 5-Fluorocytosin (5-FC) komplette Remission und Langzeitüberleben erzielt werden. Dagegen ergaben sich bei Applikation nur einer Pro-Drug lediglich lokale Tumorkontrollraten von 83% (GCV) und 57% (5-FC). Noch geringere therapeutische Effekte einer Kombinationstherapie mit GCV und 5-FC wurden beobachtet, wenn in Anlehnung an die klinische Situation der Anteil suizidgen-tragender Zellen in den Tumoren auf < 20% abgesenkt wurde. Molekularbiologische Analysen dieser Mischtumore zeigen eine Verminderung membranständiger Connexinproteine, welche für den interzellulären Transport phosphorylierter GCV-Metabolite über Gap-junctions erforderlich sind. Pharmakodynamische Untersuchungen mittels 19F-NMR belegen eine effiziente Metabolisierung von 5-FC zu 5-Fluorouracil (5-FU) und den anschließenden Einbau der F-Nukleotide in die DNA. Dennoch sind die intrazellulären und sezernierten 5-FU Konzentrationen für eine Inaktivierung benachbarter Zellen im Sinne eines „lokalen-Bystander-Effektes“ nicht ausreichend. Bei gleichzeitiger Therapie von AT-1 und AT-1/CDglyTK Tumoren, kommt es nicht zur Regression des AT-1 Tumors und damit nicht zu einem „Distalen-Bystander-Effekt“. Dagegen führt die Induktion eines immunologischen Gedächtnisses zu deutlich verminderten Angehraten bei später injizierten AT-1 Tumoren. Die Suizidgen-Therapie ist ein erfolgversprechender Ansatz zur Behandlung maligner Erkrankungen, bei dem die lokalen und distalen Bystander-Effekte individueller Tumoren den therapeutischen Erfolg maßgeblich mitbestimmen.

Netzwerke von Nervenzellen auf strukturierten Oberflächen charakterisiert mit optischen und elektrophysiologischen Methoden

Das Wachstum von Nervenzellen und deren Verbindungen im zentralen und peripheren Nervensystem wird durch Proteine der extrazellulären Matrix kontrolliert. In dieser Arbeit wurde das Matrixprotein Laminin verwendet, um Netzwerke von Nervenzellen auf künstlichen Substraten in vitro zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurden Lamininstrukturen mit Mikrostempeln aus Polydimethylsiloxan auf Zellkultursubstrate übertragen. Die Mikrostempel wurden in einem mehrstufigen Verfahren durch Abformung von photolithographisch hergestellten Masken angefertigt. Nach Vorversuchen mit neuronal differenzierten Zellen der Zellinien MzN und P19 zur Identifizierung geeigneter Abmessungen der Mikrotrukturen, gelang die Realisierung von Linien- und Gitternetzwerken sowie von komplexeren Schaltungen. Eine morphologische Charakterisierung der erzeugten Netzwerke erfolgte durch Phasenkontrast- und Fluoreszenzmikroskopie.Elektrophysiologische Messungen wurden mit der Patch-Clamp Technik an einer Kultur von Nervenzellen aus primär isolierten Hirnschnitten durchgeführt. Der Erhalt des intakten Zellverbundes im Hirnschnitt sollte Bedingungen möglichst nahe zur Situation in vivo schaffen, um die Bildung von Synapsen zu begünstigen. In Patch-Clamp Messungen an bis zu drei Neuronen gleichzeitig, gelang der Nachweis synaptischer Kopplung in strukturierten Netzwerken solcher Hirnschnitt-Kulturen. Sowohl funktionale chemische Synapsen, als auch Ohm'sche Kopplung über Gap-Junctions wurde beobachtet. Es wurde ein elektrisches Kopplungsmodell abgeleitet. Die Signalleitung in den Nervenfasern erfolgt demnach wie in einem zylindrischen, durch die Zellmembran von der Umgebung isolierten Kabel.

Aktivitätsabhängige Kontrolle der Apoptose in neonatalen kortikalen Neuronen und Etablierung eines Biosensors zur Echtzeitanalyse der Caspase-3-Aktivierung

Die Apoptose spielt eine entscheidende Rolle während der normalen Entwicklung des zentralen Nervensystems. Elektrische Aktivität und die Versorgung mit trophischen Faktoren sind ausschlaggebend für das Überleben von Neuronen. Um zu untersuchen, welche zellulären Prozesse die aktivitätsabhängige Apoptose in organotypischen Schnittkulturen des neugeborenen Neokortex beeinflussen, wurde in der vorliegenden Arbeit immunzytochemisch das Auftreten aktivierter Caspase-3, nach pharmakologischer Beeinflussung von Ionenkanälen und membranständigen Rezeptoren analysiert. Die Unterdrückung neuronaler Aktivität durch den Natriumionenkanalblocker TTX führte zu einem signifikanten Verlust kortikaler Neuronen. Ein ähnlicher Anstieg der Zahl apoptotischer Neurone konnte durch Applikation von Antagonisten ionotroper Glutamatrezeptoren, GABAA-Rezeptoren oder neuronaler Gap Junctions induziert werden. Jedoch konnte bei einigen Antagonisten die apoptosefördernde Wirkung erst nach längerer Einwirkung beobachtet werden. Im Weiteren wurde eine Methode etabliert, mit deren Hilfe eine Echtzeitanalyse der Apoptose kortikaler Neurone unter dem Entzug trophischer Faktoren in Gegenwart unterschiedlicher extrazellulärer Kaliumkonzentrationen ermöglicht wurde. Dazu wurden dissoziierte kortikale Kulturen mit dem pCaspase3-sensor Vektor transfiziert. Das durch dieses Plasmid codierte fluoreszente Protein wird Caspase-3 abhängig gespalten. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Caspase3-sensor spezifisch für die Aktivierung der Caspase-3 ist, und dass die Überlebensfähigkeit der transfizierten Neurone durch das Transfektionsprotokoll nicht beeinflusst wird.

Charakterisierung der neuroprotektiven Eigenschaften des Corticotropin-Releasing-Hormons

Das Corticotropin Releasing Hormon (CRH) ist ein zentraler Mediator des neuroendokrinen Systems von Säugetieren und kontrolliert die physiologische Stressreaktion des Körpers. Zudem zeigten in vitro Daten, dass es Neuroprotektion gegenüber oxidativem Stress induzieren kann. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals ein neuroprotektiver Effekt des CRH in vivo gezeigt werden. Die Überexpression des CRH im ZNS von Mäusen konnte Nervenzellen in vivo vor Exzitotoxizität schützen; nach Injektion des Exzitotoxins Kainat verkürzte die CRH-Überexpression die Dauer der epileptischen Anfälle, schützte die Neurone der betroffenen Hippocampusregion vor Zelltod und verhinderte die bei Exzitotoxizität und vielen neurodegenerativen Erkrankungen auftretende Neuroinflammation. Desweiteren konnten in CRH-überexprimierenden Tieren erhöhte BDNF-Proteinspiegel nachgewiesen werden. BDNF, ein bedeutender neurotropher Faktor im ZNS, vermittelt daher teilweise die CRH-induzierte Neuroprotektion gegenüber der Exzitotoxizität in vivo. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Connexin43, dem Haupt-Gap Junction-Protein der Astrozyten, ein neues CRH-Zielgen im ZNS identifiziert. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CRH sowohl die Expression des Connexin43-Gens als auch den Connexin43-Proteinspiegel in vitro und in vivo erhöht. Diese Effekte werden über die Aktivierung des CRH-Rezeptor 1 und nachfolgend der PKA- und MAPK-Signalwege vermittelt. In Übereinstimmung mit der Hochregulation des Connexin43-Proteinspiegels verstärkte CRH auch die interzelluläre Kommunikation über Gap Junctions. Physiologisch hat diese CRH-induzierte Verstärkung der astrozytären Gap Junction-Kommunikation eine große Bedeutung für die Neuroprotektion, da eine Hochregulation der interzellulären Kommunikation schnell toxische Moleküle verdünnt, Energiesubstrate und protektive Faktoren verteilt und Ionen abpuffert. Dadurch werden Schädigungen durch oxidativen Stress in den Zellen reduziert, was über die Analyse der Proteincarbonylierung gezeigt wurde. Die Relevanz der astrozytären Gap Junction-Kommunikation für das Überleben der Neurone konnte in organotypischen hippocampalen Schnitten und in Neuron-Astrozyten-Co-Kulturen deutlich gemacht werden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Daten zeigen, dass die Stress-induzierte Sekretion von CRH im ZNS zur verstärkten Expression neuroprotektiver Moleküle wie BDNF und Connexin43 beiträgt. Diese vermögen Neurone gegenüber toxischen Einflüssen zu schützen und zum Erhalt ihrer Funktion beizutragen. Die protektiven CRH-Effekte könnten speziell bei chronischen neurodegenerativen Krankheiten wie der Alzheimerschen Demenz und der Parkinsonschen Krankheit hilfreich sein.

Untersuchung der Modulation adaptiver Immunantworten in Abhängigkeit der Reifung dendritischer Zellen

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Bildung von DALIS während der Reifung von dendritischen Zellen untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass die DALIS-Bildung mit dem Aktivierungszustand der Zelle eng verknüpft ist. Es konnten verschiedene Hitzeschockproteine in Zusammenhang mit der DaLIS-Bildung gebracht werden und ein Molekül der Siganlgebung identifiziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Veränderung von dendritischen Zellen in Anwesenheit von regulatorischen T-Zellen untersucht. Hierbei zeigte sich, dass zwischen den Zellen Gap Junctions entstehen, durch die cAMP von den regulatorischen T-Zellen auf die dendritischen Zellen übertragen werden kann. Weiter konnte gezeigt werden, dass regulatorische T-Zellen IL-10 sezernieren und so die dendritischen Zellen inhibieren.

Mechanismen zur Suppression der experimentellen akuten Graft-versus-Host-Disease

Die Transplantation von allogenen hämatopoetischen Stammzellen stellt für viele Patienten mit hämatologischen Erkrankungen, wie beispielsweise akuter Leukämie, oftmals die einzige kurative Therapieoption dar. Die Erkennung von Empfängerantigenen durch immunkompetente Zellen des Spenders bietet dabei die Basis für erwünschte Graft-versus-Tumor-Effekte, verursacht jedoch häufig außerdem die unerwünschte Graft-versus-Host Disease (GvHD), eine mitunter schwerwiegende Komplikation. In der vorliegenden Arbeit wurden potentielle Mechanismen zur Hemmung alloreaktiver CD4+ und CD8+ T-Zellen (TZ) und folglich zur Hemmung der akuten GvHD in einem experimentellen GvHD-Modell untersucht, welches auf dem Transfer von allogenen Zellen zwischen MHC-inkompatiblen Mausstämmen basiert. Die vorliegende Arbeit weist zum Einen darauf hin, dass das Fehlen MyD88- und TRIF-vermittelter Toll-like-Rezeptor-Signale zumindest im Rahmen des hier verwendeten Transplantationsmodells nicht zwingend zu einer Hemmung der akuten GvHD führt. Zum Anderen konnte belegt werden, dass CD4+ CD25+ regulatorische T-Zellen (Tregs) kompetente Suppressoren der durch alloreaktive CD4+ und CD8+ TZ ausgelösten akuten GvHD darstellen. In weiterführenden Experimenten ist gezeigt worden, dass die Tregs sich verschiedener Mechanismen bedienen, um ihre Zielzellen zu inhibieren. Das suppressive Zytokin Interleukin-10 kann als löslicher Mediator zumindest in vitro offenbar eine Rolle bei der Treg-vermittelten Suppression alloreaktiver TZ spielen. Da jedoch auch Tregs aus Interleukin-10-defizienten Spendern die GvHD-Entstehung in den Empfängern abschwächen konnten, müssen noch weitere Mechanismen involviert sein. Es konnte in einer gemischten Leukozyten Reaktion in vitro eine zellkontaktabhängige Kommunikation mittels gap junctions hauptsächlich zwischen den Tregs und den allogenen Dendritischen Zellen (DCs) nachgewiesen werden, welche prinzipiell den Transfer von cAMP möglich macht. Die Kommunikation zwischen Tregs und DCs resultierte in einem supprimierten Phänotyp der DCs, gekennzeichnet durch eine verminderte Expression kostimulatorischer Moleküle auf ihrer Oberfläche. Solche supprimierten DCs können als Folge die alloreaktiven Spender-TZ vermutlich nicht aktivieren. Das cAMP-erhöhende Rolipram konnte in einer gemischten Leukozyten Reaktion in vitro die Proliferation alloreaktiver CD4+ und CD8+ TZ hemmen. Daneben konnte die Treg-vermittelte Suppression alloreaktiver TZ und der GvHD in vivo durch die zusätzliche Verabreichung von Rolipram noch gesteigert werden. Im letzten Kapitel dieser Arbeit wurde beschrieben, dass die alleinige Aktivierung alloreaktiver CD8+ TZ ausreichend ist, um eine akute GvHD auszulösen. In diesem Zusammenhang konnte nachgewiesen werden, dass CD4+ CD25+ Tregs die akute GvHD auch in einer scheinbar MHC-II-unabhängigen Weise hemmen können. Zusammenfassend belegt die vorliegende Arbeit, dass Tregs in einem MHC-inkompatiblen Transplantationsmodell alloreaktive CD4+ und CD8+ TZ und folglich die Entstehung einer GvHD effizient hemmen können. Bei der Hemmung der GvHD kommen wahrscheinlich verschiedene Mechanismen zum Tragen. Zumindest in vivo scheint von Tregs produziertes Interleukin-10 eine untergeordnete Rolle bei der Suppression alloreaktiver TZ und der GvHD zu spielen, hierbei steht vermutlich vielmehr der cAMP-abhängige Suppressionsmechanismus im Vordergrund.

Immunregulatorische Mechanismen bei einer experimentellen akuten Graft-versus-Host-Disease

Die allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation ist bereits seit mehreren Jahrzehnten zur Therapie von Leukämien und anderen malignen Erkrankungen etabliert, aber ihre Effektivität wird durch Graft-versus-Host Reaktionen weiterhin deutlich eingeschränkt. Um die zu Grunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen und Möglichkeiten zur Modulation zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit verschiedene Ansätze verfolgt.rnRegulatorische T-Zellen sind in der Lage allogene T-Zell-Antworten, wie sie auch bei einer GvH-Erkrankung auftreten zu supprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass dies unabhängig von Interleukin-10 geschieht, dafür jedoch ein kontaktabhängiger Mechanismus eine wichtige Rolle spielt. Dabei wird cAMP von Treg über Gap-Junctions in allogene Dendritische Zellen übertragen und deren Aktivierung dadurch verhindert. Versuche zur Modulation dieses Mechanismus mithilfe von Phosphodiesterase-Inhibitoren haben gezeigt, dass diese nicht nur die suppressiven Fähigkeiten von Treg verbessern, sondern ebenfalls direkt auf die T-Zellen einwirken, die schließlich die GvH-Erkrankung auslösen. Diese Ergebnisse konnten in vivo bestätigt werden und zeigen somit einen möglichen Ansatz hin zu einer kombinierten zellulären und pharmakologischen Therapie von GvH-Erkrankungen. Ein großer Vorteil dabei wäre, dass bereits eine Palette an PDE-Inhibitoren in der Klinik zur Verfügung steht.rnInterleukin-10 ist ein immunsuppressives und anti-inflammatorisches Zytokin, dem bei der Regulation des Immunsystems eine wichtige Rolle zukommt. Wie in dieser und anderen Arbeiten gezeigt, ist diese Funktion von IL-10 auch bei GvH-Erkrankungen essentiell. Ein Ziel war es daher, die Zellpopulationen, die für die Produktion des Zytokins verantwortlich sind, zu identifizieren. Mittels einer IL-10 Reporter-Maus konnten B-Zellen vom Spender, wie auch vom Empfänger als IL-10 Produzenten ausgemacht werden. Darüberhinaus zeigen die so gefundenen Zellen auch einen typischen Phänotyp für sog. immunregulatorische B-Zellen. Transplantationsexperimente mit Mäusen, die einen B-Zell-spezifischen Knock-out für IL-10 tragen, konnten die Relevanz der B Zellen als IL-10 Produzenten in vivo belegen.rnDendritische Zellen sind sehr potente Antigenpräsentierende Zellen und somit in der Lage GvH-Reaktionen zu induzieren. Überraschenderweise ist das Überleben von Versuchsmäusen, denen alle DC oder auch nur die BATF3-abhängige Subpopulation der CD8α+ DC fehlt, nicht besser als das des WT, sondern sogar deutlich schlechter. Dies geht einher mit entsprechenden Veränderungen im Zytokinmilieu der peripheren lymphatischen Organe. Bei Abwesenheit der CD8α+ DC sind die Zellen der mesenterialen Lymphknoten nach dem Konditionierungsprotokoll stärkere Stimulatoren für allogene T-Zell-Proliferation, was eine Erklärung für die stärkere GvH-Erkrankung ist. Eine Erklärung für diese Befunde liefert die verringerte Anzahl an Treg, die nach einer Transplantation in Abwesenheit der CD8α+ DC zu beobachten ist.rnDie aufgezeigten immunsupressiven Mechanismen stellen gute Ansatzpunkte dar, um GvH-Erkrankungen besser zu verstehen und damit die Effektivität der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation zu verbessern.rn

Connexin 43 expression in human hypertrophied heart due to pressure and volume overload

Left ventricular hypertrophy (LVH) is due to pressure overload or mechanical stretch and is thought to be associated with remodeling of gap-junctions. We investigated whether the expression of connexin 43 (Cx43) is altered in humans in response to different degrees of LVH. The expression of Cx43 was analyzed by quantitative polymerase chain reaction, Western blot analysis and immunohistochemistry on left ventricular biopsies from patients undergoing aortic or mitral valve replacement. Three groups were analyzed: patients with aortic stenosis with severe LVH (n=9) versus only mild LVH (n=7), and patients with LVH caused by mitral regurgitation (n=5). Cx43 mRNA expression and protein expression were similar in the three groups studied. Furthermore, immunohistochemistry revealed no change in Cx43 distribution. We can conclude that when compared with mild LVH or with LVH due to volume overload, severe LVH due to chronic pressure overload is not accompanied by detectable changes of Cx43 expression or spatial distribution.

Relative contributions of connexins 40 and 43 to atrial impulse propagation in synthetic strands of neonatal and fetal murine cardiomyocytes

Atrial tissue expresses both connexin 40 (Cx40) and 43 (Cx43) proteins. To assess the relative roles of Cx40 and Cx43 in atrial electrical propagation, we synthesized cultured strands of atrial myocytes derived from mice with genetic deficiency in Cx40 or Cx43 expression and measured propagation velocity (PV) by high-resolution optical mapping of voltage-sensitive dye fluorescence. The amount of Cx40 and/or Cx43 in gap junctions was measured by immunohistochemistry and total or sarcolemmal Cx43 or Cx40 protein by immunoblotting. Progressive genetic reduction in Cx43 expression decreased PV from 34+/-6 cm/sec in Cx43(+/+) to 30+/-8 cm/sec in Cx43(+/-) and 19+/-11 cm/sec in Cx43(-/-) cultures. Concomitantly, the cell area occupied by Cx40 immunosignal in gap junctions decreased from 2.0+/-1.6% in Cx43(+/+) to 1.7+/-0.5% in Cx43(+/-) and 1.0+/-0.2% in Cx43(-/-) strands. In contrast, progressive genetic reduction in Cx40 expression increased PV from 30+/-2 cm/sec in Cx40(+/+) to 40+/-7 cm/sec in Cx40(+/-) and 45+/-10 cm/sec in Cx40(-/-) cultures. Concomitantly, the cell area occupied by Cx43 immunosignal in gap junctions increased from 1.2+/-0.9% in Cx40(+/+) to 2.8+/-1.4% in Cx40(+/-) and 3.1+/-0.6% in Cx40(-/-) cultures. In accordance with the immunostaining results, immunoblots of the Triton X-100-insoluble fraction revealed an increase of Cx43 in gap junctions in extracts from Cx40-ablated atria, whereas total cellular Cx43 remained unchanged. Our results suggest that the relative abundance of Cx43 and Cx40 is an important determinant of atrial impulse propagation in neonatal hearts, whereby dominance of Cx40 decreases and dominance of Cx43 increases local propagation velocity.

Transient rhythmic network activity in the somatosensory cortex evoked by distributed input in vitro

The initiation and maintenance of physiological and pathophysiological oscillatory activity depends on the synaptic interactions within neuronal networks. We studied the mechanisms underlying evoked transient network oscillation in acute slices of the adolescent rat somatosensory cortex and modeled its underpinning mechanisms. Oscillations were evoked by brief spatially distributed noisy extracellular stimulation, delivered via bipolar electrodes. Evoked transient network oscillation was detected with multi-neuron patch-clamp recordings under different pharmacological conditions. The observed oscillations are in the frequency range of 2-5 Hz and consist of 4-12 mV large, 40-150 ms wide compound synaptic events with rare overlying action potentials. This evoked transient network oscillation is only weakly expressed in the somatosensory cortex and requires increased [K+]o of 6.25 mM and decreased [Ca2+]o of 1.5 mM and [Mg2+]o of 0.5 mM. A peak in the cross-correlation among membrane potential in layers II/III, IV and V neurons reflects the underlying network-driven basis of the evoked transient network oscillation. The initiation of the evoked transient network oscillation is accompanied by an increased [K+]o and can be prevented by the K+ channel blocker quinidine. In addition, a shift of the chloride reversal potential takes place during stimulation, resulting in a depolarizing type A GABA (GABAA) receptor response. Blockade of alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-proprionate (AMPA), N-methyl-D-aspartate (NMDA), or GABA(A) receptors as well as gap junctions prevents evoked transient network oscillation while a reduction of AMPA or GABA(A) receptor desensitization increases its duration and amplitude. The apparent reversal potential of -27 mV of the evoked transient network oscillation, its pharmacological profile, as well as the modeling results suggest a mixed contribution of glutamatergic, excitatory GABAergic, and gap junctional conductances in initiation and maintenance of this oscillatory activity. With these properties, evoked transient network oscillation resembles epileptic afterdischarges more than any other form of physiological or pathophysiological neocortical oscillatory activity.

Structural and functional diversity of connexin genes in the mouse and human genome

Gap junctions are clustered channels between contacting cells through which direct intercellular communication via diffusion of ions and metabolites can occur. Two hemichannels, each built up of six connexin protein subunits in the plasma membrane of adjacent cells, can dock to each other to form conduits between cells. We have recently screened mouse and human genomic data bases and have found 19 connexin (Cx) genes in the mouse genome and 20 connexin genes in the human genome. One mouse connexin gene and two human connexin genes do not appear to have orthologs in the other genome. With three exceptions, the characterized connexin genes comprise two exons whereby the complete reading frame is located on the second exon. Targeted ablation of eleven mouse connexin genes revealed basic insights into the functional diversity of the connexin gene family. In addition, the phenotypes of human genetic disorders caused by mutated connexin genes further complement our understanding of connexin functions in the human organism. In this review we compare currently identified connexin genes in both the mouse and human genome and discuss the functions of gap junctions deduced from targeted mouse mutants and human genetic disorders.

Connexin genes in the mouse and human genome

Gap junctions serve for direct intercellular communication by docking of two hemichannels in adjacent cells thereby forming conduits between the cytoplasmic compartments of adjacent cells. Connexin genes code for subunit proteins of gap junction channels and are members of large gene families in mammals. So far, 17 connexin (Cx) genes have been described and characterized in the murine genome. For most of them, orthologues in the human genome have been found (see White and Paul 1999; Manthey et al. 1999; Teubner et al. 2001; Söhl et al. 2001). We have recently performed searches for connexin genes in murine and human gene libraries available at EMBL/Heidelberg, NCBI and the Celera company that have increased the number of identified connexins to 19 in mouse and 20 in humans. For one mouse connexin gene and two human connexin genes we did not find orthologues in the other genome. Here we present a short overview on distinct connexin genes which we found in the mouse and human genome and which may include all members of this gene family, if no further connexin gene will be discovered in the remaining non-sequenced parts (about 1-5%) of the genomes.

Myofibroblasts induce ectopic activity in cardiac tissue

Focal ectopic activity in cardiac tissue is a key factor in the initiation and perpetuation of tachyarrhythmias. Because myofibroblasts as present in fibrotic remodeled myocardia and infarct scars depolarize cardiomyocytes by heterocellular electrotonic interactions via gap junctions in vitro, we investigated using strands of cultured ventricular cardiomyocytes coated with myofibroblasts, whether this interaction might give rise to depolarization-induced abnormal automaticity. Whereas uncoated cardiomyocyte strands were invariably quiescent, myofibroblasts induced synchronized spontaneous activity in a density dependent manner. Activations appeared at spatial myofibroblast densities >15.7% and involved more than 80% of the preparations at myofibroblast densities of 50%. Spontaneous activity was based on depolarization-induced automaticity as evidenced by: (1) suppression of activity by the sarcolemmal K(ATP) channel opener P-1075; (2) induction of activity in current-clamped single cardiomyocytes undergoing depolarization to potentials similar to those induced by myofibroblasts in cardiomyocyte strands; and (3) induction of spontaneous activity in cardiomyocyte strands coated with connexin 43 transfected Hela cells but not with communication deficient HeLa wild-type cells. Apart from unveiling the mechanism underlying the hallmark of monolayer cultures of cardiomyocytes, ie, spontaneous electromechanical activity, these findings open the perspective that myofibroblasts present in structurally remodeled myocardia following pressure overload and infarction might contribute to arrhythmogenesis by induction of ectopic activity.