A PK2/Bv8/PROK2 antagonist suppresses tumorigenic processes by inhibiting angiogenesis in glioma and blocking myeloid cell infiltration in pancreatic cancer.

Infiltration of myeloid cells in the tumor microenvironment is often associated with enhanced angiogenesis and tumor progression, resulting in poor prognosis in many types of cancer. The polypeptide chemokine PK2 (Bv8, PROK2) has been shown to regulate myeloid cell mobilization from the bone marrow, leading to activation of the angiogenic process, as well as accumulation of macrophages and neutrophils in the tumor site. Neutralizing antibodies against PK2 were shown to display potent anti-tumor efficacy, illustrating the potential of PK2-antagonists as therapeutic agents for the treatment of cancer. In this study we demonstrate the anti-tumor activity of a small molecule PK2 antagonist, PKRA7, in the context of glioblastoma and pancreatic cancer xenograft tumor models. For the highly vascularized glioblastoma, PKRA7 was associated with decreased blood vessel density and increased necrotic areas in the tumor mass. Consistent with the anti-angiogenic activity of PKRA7 in vivo, this compound effectively reduced PK2-induced microvascular endothelial cell branching in vitro. For the poorly vascularized pancreatic cancer, the primary anti-tumor effect of PKRA7 appears to be mediated by the blockage of myeloid cell migration/infiltration. At the molecular level, PKRA7 inhibits PK2-induced expression of certain pro-migratory chemokines and chemokine receptors in macrophages. Combining PKRA7 treatment with standard chemotherapeutic agents resulted in enhanced effects in xenograft models for both types of tumor. Taken together, our results indicate that the anti-tumor activity of PKRA7 can be mediated by two distinct mechanisms that are relevant to the pathological features of the specific type of cancer. This small molecule PK2 antagonist holds the promise to be further developed as an effective agent for combinational cancer therapy.

Mechanisms of specificity in neuronal activity-regulated gene transcription.

The brain is a highly adaptable organ that is capable of converting sensory information into changes in neuronal function. This plasticity allows behavior to be accommodated to the environment, providing an important evolutionary advantage. Neurons convert environmental stimuli into long-lasting changes in their physiology in part through the synaptic activity-regulated transcription of new gene products. Since the neurotransmitter-dependent regulation of Fos transcription was first discovered nearly 25 years ago, a wealth of studies have enriched our understanding of the molecular pathways that mediate activity-regulated changes in gene transcription. These findings show that a broad range of signaling pathways and transcriptional regulators can be engaged by neuronal activity to sculpt complex programs of stimulus-regulated gene transcription. However, the shear scope of the transcriptional pathways engaged by neuronal activity raises the question of how specificity in the nature of the transcriptional response is achieved in order to encode physiologically relevant responses to divergent stimuli. Here we summarize the general paradigms by which neuronal activity regulates transcription while focusing on the molecular mechanisms that confer differential stimulus-, cell-type-, and developmental-specificity upon activity-regulated programs of neuronal gene transcription. In addition, we preview some of the new technologies that will advance our future understanding of the mechanisms and consequences of activity-regulated gene transcription in the brain.

A Novel Selective Muscarinic Acetylcholine Receptor Subtype 1 Antagonist Reduces Seizures without Impairing Hippocampus-Dependent Learning

Previous studies suggest that selective antagonists of specific subtypes of muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) may provide a novel approach for the treatment of certain central nervous system (CNS) disorders, including epileptic disorders, Parkinson's disease, and dystonia. Unfortunately, previously reported antagonists are not highly selective for specific mAChR subtypes, making it difficult to definitively establish the functional roles and therapeutic potential for individual subtypes of this receptor subfamily. The M 1 mAChR is of particular interest as a potential target for treatment of CNS disorders. We now report the discovery of a novel selective antagonist of M-1 mAChRs, termed VU0255035 [N-(3-oxo-3-(4-(pyridine-4-yl)piperazin-1-yl)propyl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole-4-sulfonamide]. Equilibrium radioligand binding and functional studies demonstrate a greater than 75-fold selectivity of VU0255035 for M-1 mAChRs relative to M-2-M-5. Molecular pharmacology and mutagenesis studies indicate that VU0255035 is a competitive orthosteric antagonist of M-1 mAChRs, a surprising finding given the high level of M-1 mAChR selectivity relative to other orthosteric antagonists. Whole-cell patch-clamp recordings demonstrate that VU0255035 inhibits potentiation of N-methyl-D-aspartate receptor currents by the muscarinic agonist carbachol in hippocampal pyramidal cells. VU0255035 has excellent brain penetration in vivo and is efficacious in reducing pilocarpine-induced seizures in mice. We were surprised to find that doses of VU0255035 that reduce pilo-carpine-induced seizures do not induce deficits in contextual freezing, a measure of hippocampus-dependent learning that is disrupted by nonselective mAChR antagonists. Taken together, these data suggest that selective antagonists of M-1 mAChRs do not induce the severe cognitive deficits seen with nonselective mAChR antagonists and could provide a novel approach for the treatment certain of CNS disorders.

Variants in the 1q21 risk region are associated with a visual endophenotype of autism and schizophrenia

Deficits in sensitivity to visual stimuli of low spatial frequency and high temporal frequency (so-called frequency-doubled gratings) have been demonstrated both in schizophrenia and in autism spectrum disorder (ASD). Such basic perceptual functions are ideal candidates for molecular genetic study, because the underlying neural mechanisms are well characterized; but they have sometimes been overlooked in favor of cognitive and neurophysiological endophenotypes, for which neural substrates are often unknown. Here, we report a genome-wide association study of a basic visual endophenotype associated with psychological disorder. Sensitivity to frequency-doubled gratings was measured in 1060 healthy young adults, and analyzed for association with genotype using linear regression at 642758 single nucleotide polymorphism (SNP) markers. A significant association (P=7.9×10) was found with the SNP marker rs1797052, situated in the 5′-untranslated region of PDZK1; each additional copy of the minor allele was associated with an increase in sensitivity equivalent to more than half a standard deviation. A permutation procedure, which accounts for multiple testing, showed that the association was significant at the α=0.005 level. The region on chromosome 1q21.1 surrounding PDZK1 is an established susceptibility locus both for schizophrenia and for ASD, mirroring the common association of the visual endophenotype with the two disorders. PDZK1 interacts with N-methyl-d-aspartate receptors and neuroligins, which have been implicated in the etiologies of schizophrenia and ASD. These findings suggest that perceptual abnormalities observed in two different disorders may be linked by common genetic elements. © 2013 John Wiley & Sons Ltd and International Behavioural and Neural Genetics Society.

Deciphering the mechanisms underlying the loss of BDNF neuroprotection in an Alzheimer’s disease model

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

Specific targeting of pro-death NMDA receptor signals with differing reliance on the NR2B PDZ ligand.

NMDA receptors (NMDARs) mediate ischemic brain damage, for which interactions between the C termini of NR2 subunits and PDZ domain proteins within the NMDAR signaling complex (NSC) are emerging therapeutic targets. However, expression of NMDARs in a non-neuronal context, lacking many NSC components, can still induce cell death. Moreover, it is unclear whether targeting the NSC will impair NMDAR-dependent prosurvival and plasticity signaling. We show that the NMDAR can promote death signaling independently of the NR2 PDZ ligand, when expressed in non-neuronal cells lacking PSD-95 and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), key PDZ proteins that mediate neuronal NMDAR excitotoxicity. However, in a non-neuronal context, the NMDAR promotes cell death solely via c-Jun N-terminal protein kinase (JNK), whereas NMDAR-dependent cortical neuronal death is promoted by both JNK and p38. NMDAR-dependent pro-death signaling via p38 relies on neuronal context, although death signaling by JNK, triggered by mitochondrial reactive oxygen species production, does not. NMDAR-dependent p38 activation in neurons is triggered by submembranous Ca(2+), and is disrupted by NOS inhibitors and also a peptide mimicking the NR2B PDZ ligand (TAT-NR2B9c). TAT-NR2B9c reduced excitotoxic neuronal death and p38-mediated ischemic damage, without impairing an NMDAR-dependent plasticity model or prosurvival signaling to CREB or Akt. TAT-NR2B9c did not inhibit JNK activation, and synergized with JNK inhibitors to ameliorate severe excitotoxic neuronal loss in vitro and ischemic cortical damage in vivo. Thus, NMDAR-activated signals comprise pro-death pathways with differing requirements for PDZ protein interactions. These signals are amenable to selective inhibition, while sparing synaptic plasticity and prosurvival signaling.

Synaptic Integration of Adult-Born Hippocampal Neurons Is Locally Controlled by Astrocytes.

Adult neurogenesis is regulated by the neurogenic niche, through mechanisms that remain poorly defined. Here, we investigated whether niche-constituting astrocytes influence the maturation of adult-born hippocampal neurons using two independent transgenic approaches to block vesicular release from astrocytes. In these models, adult-born neurons but not mature neurons showed reduced glutamatergic synaptic input and dendritic spine density that was accompanied with lower functional integration and cell survival. By taking advantage of the mosaic expression of transgenes in astrocytes, we found that spine density was reduced exclusively in segments intersecting blocked astrocytes, revealing an extrinsic, local control of spine formation. Defects in NMDA receptor (NMDAR)-mediated synaptic transmission and dendrite maturation were partially restored by exogenous D-serine, whose extracellular level was decreased in transgenic models. Together, these results reveal a critical role for adult astrocytes in local dendritic spine maturation, which is necessary for the NMDAR-dependent functional integration of newborn neurons.

Le rôle des cellules gliales de Müller dans la mort des cellules ganglionnaires de la rétine par des mécanismes cellulaires non-autonomes

Les cellules gliales sont essentielles au fonctionnement du système nerveux. Dans la rétine, les cellules gliales de Müller assurent à la fois l’homéostasie du tissu et la protection des neurones, notamment celle des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). L’hypothèse principale de la thèse est que les cellules de Müller joueraient un rôle primordial dans la survie neuronale tant au plan de la signalisation des neurotrophines/proneurotrophines par suite d’une blessure que lors des mécanismes d’excitotoxicité. Contrairement au brain-derived neurotrophic factor (BDNF), le nerve growth factor (NGF) n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs après une section du nerf optique. Le premier objectif de la thèse a donc été de localiser les récepteurs p75NTR et TrkA du NGF dans la rétine adulte et d’établir leur fonction respective en utilisant des ligands peptidomimétiques agonistes ou antagonistes spécifiques pour chacun des récepteurs. Nos résultats ont démontré que TrkA est surexprimé par les CGRs après l’axotomie, tandis que p75NTR est spécifiquement exprimé par les cellules de Müller. Alors que NGF n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs, l’activation spécifique de TrkA par des ligands peptidomimétique est nettement neuroprotectrice. De façon surprenante, le blocage sélectif de p75NTR ou l’absence de celui-ci protège les CGRs de la mort induite par l’axotomie. De plus, la combinaison de NGF avec l’antagoniste de p75NTR agit de façon synergique sur la survie des CGRS. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel le récepteur p75NTR exprimé par les cellules gliales de Müller peut grandement influencer la survie neuronale. Ensuite, nous avons voulu déterminer l’effet des proneurotrophines dans la rétine adulte. Nous avons démontré que l’injection de proNGF induit la mort des CGRs chez le rat et la souris par un mécanisme dépendant de p75NTR. L’expression de p75NTR étant exclusive aux cellules de Müller, nous avons testé l’hypothèse que le proNGF active une signalisation cellulaire non-autonome qui aboutit à la mort des CGRs. En suivant cette idée, nous avons montré que le proNGF induit une forte expression du tumor necrosis factor α (TNFα) dans les cellules de Müller et que l’inhibition du TNF bloque la mort neuronale induite par le proNGF. L’utilisation de souris knock-out pour la protéine p75NTR, son co-récepteur sortiline, ou la protéine adaptatrice NRAGE a permis de montrer que la production de TNF par les cellules gliales était dépendante de ces protéines. Le proNGF semble activer une signalisation cellulaire non-autonome qui cause la mort des neurones de façon dépendante du TNF in vivo. L’hypothèse centrale de l’excitotoxicité est que la stimulation excessive des récepteurs du glutamate sensibles au N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) est dommageable pour les neurones et contribue à plusieurs maladies neurodégénératives. Les cellules gliales sont soupçonnées de contribuer à la mort neuronale par excitotoxicité, mais leur rôle précis est encore méconnu. Le dernier objectif de ma thèse était d’établir le rôle des cellules de Müller dans cette mort neuronale. Nos résultats ont démontré que l’injection de NMDA induit une activation du nuclear factor κB (NF-κB) dans les cellules de Müller, mais pas dans les CGRs, et que l’utilisation d’inhibiteurs du NF-κB empêche la mort des CGRs. De plus, nous avons montré que les cellules de Müller en réaction à l’activation du NF-κB produisent la protéine TNFα laquelle semble être directement impliquée dans la mort des CGRs par excitotoxicité. Cette mort cellulaire se produit principalement par l’augmentation à la surface des neurones des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, un phénomène dépendant du TNFα. Ces donnés révèlent un nouveau mécanisme cellululaire non-autonome par lequel les cellules gliales peuvent exacerber la mort neuronale lors de la mise en jeu de mécanismes excitotoxiques.

Modulation du système glutamatergique pendant l’apprentissage moteur : une étude de spectroscopie par résonance magnétique fonctionnelle

La présente étude avait pour but d’explorer les modulations fonctionnelles putaminales du signal de spectroscopie par résonance magnétique (SRM) combiné du glutamate et de la glutamine (Glx), ainsi que de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) en lien avec l’apprentissage d’une séquence motrice. Nous avons émis l’hypothèse que les concentrations de Glx seraient spécifiquement augmentées pendant et après la pratique d’une telle tâche, et ce comparativement à une condition d’exécution motrice simple conçue pour minimiser l’apprentissage. La tâche d’appuis séquentiels des doigts (« finger taping task ») utilisée est connue pour induire un apprentissage moteur évoluant en phases, avec une progression initialement rapide lors de la première session d’entraînement (phase rapide), puis lente lors de sessions subséquentes (phase lente). Cet apprentissage est également conçu comme dépendant de processus « on-line » (pendant la pratique) d’acquisition et « off-line » (entre les périodes de pratique) de consolidation de la trace mnésique de l’habilité motrice. Une grande quantité de données impliquent le système de neurotransmission glutamatergique, principalement par l’action de ses récepteurs N-Méthyl-D-aspartate (NMDAR) et métabotropiques (mGluR), dans une multitude de domaine de la mémoire. Quelques-unes de ces études suggèrent que cette relation s’applique aussi à des mémoires de type motrice ou dépendante du striatum. De plus, certains travaux chez l’animal montrent qu’une hausse des concentrations de glutamate et de glutamine peut être associée à l’acquisition et/ou consolidation d’une trace mnésique. Nos mesures de SRM à 3.0 Tesla, dont la qualité ne s’est avérée satisfaisante que pour le Glx, démontrent qu’une telle modulation des concentrations de Glx est effectivement détectable dans le putamen après la performance d’une tâche motrice. Elles ne nous permettent toutefois pas de dissocier cet effet putativement attribuable à la plasticité du putamen associée à l’apprentissage moteur de séquence, de celui de la simple activation neuronale causée par l’exécution motrice. L’interprétation de l’interaction non significative, montrant une plus grande modulation par la tâche motrice simple, mène cependant à l’hypothèse alternative que la plasticité glutamatergique détectée est potentiellement plus spécifique à la phase lente de l’apprentissage, suggérant qu’une seconde expérience ainsi orientée et utilisant une méthode de SRM plus sensible au Glx aurait donc de meilleures chances d’offrir des résultats concluants.

Étude du rôle des récepteurs NMDA du mésencéphale ventral dans la récompense induite par la stimulation électrique du mésencéphale postérieur chez le rongeur.

La voie dopaminergique mésolimbique qui prend son origine dans le mésencéphale ventral et qui projette vers des régions rostrales du système limbique fait partie du substrat nerveux qui contrôle la récompense et les comportements motivés. Il a été suggéré qu’un signal de récompense est produit lorsque le patron de décharge des neurones dopaminergiques passe d’un mode tonique à un mode phasique, une transition qui est initiée par l’action du glutamate aux récepteurs N-Méthyl-D-aspartate (NMDA). Étant donné qu’une altération du système de récompense est souvent associée à des anomalies cliniques telles que l’addiction compulsive et à des troubles émotionnels tels que l’anhédonie, nous avons étudié le rôle des récepteurs NMDA dans la récompense induite par la stimulation électrique intracérébrale. Puisque les récepteurs NMDA sont composés de sous-unités distinctes, GluN1, GluN2 et GluN3, nous avons étudié le rôle de deux sous-unités qui sont présentes dans le mésencéphale ventral : GluN2A et GluN2B. Les résultats montrent que des injections mésencéphaliques de R-CPP et de PPPA, des antagonistes préférentiels aux sous-unités GluN2A/B, ont produit une augmentation dose-dépendante de l’effet de récompense, un effet qui était, à certains temps après les injections, accompagné d’une augmentation du nombre de réponses maximales. Ces effets n’ont pas été observés après l’injection d’une large gamme de doses de Ro04-5595, un antagoniste des sous-unités GluN2B. Ces résultats suggèrent que le glutamate mésencéphalique exerce une modulation négative sur le circuit de récompense, un effet dû à son action au niveau des récepteurs NMDA composés des sous-unités GluN2A.

Étude de l’implication de la Neuroligine 1 dans le processus homéostatique de régulation du sommeil chez la souris

Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale.

Neurotensinergic modulation of glutamatergic neurotransmission in VTA neurons.

L’aire tegmentaire ventrale (VTA) contient une forte densité de terminaisons neurotensinergiques ainsi que des récepteurs à la surface des neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques. Le VTA a été impliqué dans des maladies comme la schizophrénie, les psychoses et l’abus de substance. Les drogues d’abus sont connues pour induire le phénomène de sensibilisation - un processus de facilitation par lequel l’exposition à un stimulus produit une réponse augmentée lors de l’exposition subséquente au même stimulus. La sensibilisation se développe dans le VTA et implique mécanismes dopaminergiques et glutamatergiques. Il a été montré que les antagonistes neurotensinergiques bloquaient le développement de la sensibilisation et certains mécanismes de récompense et ces effets pourraient être médiés indirectement par une modulation de la neurotransmission glutamatergique. Cependant, on connaît peu les mécanismes de modulation de la transmission glutamatergique par la neurotensine (NT) dans le VTA. Le but de la présente thèse était d’étudier la modulation neurotensinergique de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques du VTA. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique du patch clamp dans la cellule entière dans des tranches horizontales du VTA pour étudier les effets de différents agonistes et antagonistes neurotensinergiques. Les neurones ont été identifié comme Ih+ (présumés dopaminergiques) ou Ih- (présumés non-dopaminergiques) selon qu’ils exprimaient ou non un courant cationique activé par l’hyperpolarisation (Ih). Des techniques d’immunocytochimie ont été utilisées pour marquer les neurones et vérifier leur localisation dans le VTA. Dans une première étude nous avons trouvé que la neurotensine indigène (NT1-13) ou son fragment C-terminal, NT8-13, induisait une augmentation comparable des courants postsynaptiques excitateurs glutamatergiques (CPSEs) dans les neurones Ih+ ou Ih- du VTA. L'augmentation induite dans les neurones Ih+ par la NT8-13 a été bloquée par le SR48692, un antagoniste des récepteurs NTS1, et par le SR142948A, un antagoniste des récepteurs NTS1 et NTS2, suggérant que l'augmentation était médiée par l’activation des récepteurs NTS1. Dans les neurones Ih- l'augmentation n’a été bloquée que par le SR142948A indiquant une implication des récepteurs NTS2. Dans une deuxième étude, nous avons testé les effets de la D-Tyr[11]NT (un analogue neurotensinergique ayant différentes affinités de liaison pour les sous-types de récepteurs neurotensinergiques) sur les CPSEs glutamatergiques dans les neurones Ih+ et Ih- en parallèle avec une série d’expériences comportementales utilisant un paradigme de préférence de place conditionnée (PPC) menée dans le laboratoire de Pierre-Paul Rompré. Nous avons constaté que la D-Tyr[11]NT induisaient une inhibition dépendante de la dose dans les neurones Ih+ médiée par l'activation de récepteurs NTS2. En revanche, la D-Tyr[11]NT a produit une augmentation des CPSEs glutamatergiques médiée par des récepteurs NTS1 dans les neurones Ih-. Les résultats des expériences comportementales ont montré que des microinjections bilatérales de D-Tyr[11]NT dans le VTA induisait une PPC bloquée uniquement par la co-injection de SR142948A et SR48692, indiquant un rôle pour les deux types de récepteurs, NTS1 et NTS2. Cette étude nous a permis de conclure que i) la D-Tyr[11]NT agit dans le VTA via des récepteurs NTS1 et NTS2 pour induire un effet de récompense et ii) que cet effet est dû, au moins en partie, à une augmentation de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones non-dopaminergiques (Ih-). Dans une troisième étude nous nous sommes intéressés aux effets de la D-Tyr[11]NT sur les réponses isolées médiées par les récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA) et acide α-amino-3- hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique (AMPA) dans les neurones du VTA. Nous avons constaté que dans les neurones Ih+ l’amplitude des CPSEs NMDA et AMPA étaient atténuées de la même manière par la D-Tyr[11] NT. Cette modulation des réponses était médiée par les récepteurs NTS1 et NTS2. Au contraire, dans les neurones Ih-, l’amplitude des réponses NMDA et AMPA étaient augmentées en présence de D-Tyr[11]NT et ces effets dépendaient de l’activation des récepteurs NTS1 localisés sur les terminaisons glutamatergiques. Ces résultats fournissent une preuve supplémentaire que le NT exerce une modulation bidirectionnelle sur la neurotransmission glutamatergique dans les neurones du VTA et met en évidence un nouveau type de modulation peptidergique des neurones non-dopaminergiques qui pourrait être impliqué dans la sensibilisation. En conclusion, la modulation neurotensinergique de la neurotransmission glutamatergique dans les neurones dopaminergiques et non-dopaminergiques du VTA se fait en sens opposé soit, respectivement, par une inhibition ou par une excitation. De plus, ces effets sont médiés par différents types de récepteurs neurotensinergiques. En outre, nos études mettent en évidence une modulation peptidergique de la neurotransmission glutamatergique dans le VTA qui pourrait jouer un rôle important dans les mécanismes de lutte contre la toxicomanie.

Developmental changes in presynaptic muscarinic modulation of excitatory and inhibitory neurotransmission in rat piriform cortex in vitro: relevance to epileptiform bursting susceptibility

Suppression of depolarizing postsynaptic potentials and isolated GABA-A receptor-mediated fast inhibitory postsynaptic potentials by the muscarinic acetylcholine receptor agonist, oxotremorine-M (10 microM), was investigated in adult and immature (P14-P30) rat piriform cortical (PC) slices using intracellular recording. Depolarizing postsynaptic potentials evoked by layers II-III stimulation underwent concentration-dependent inhibition in oxotremorine-M that was most likely presynaptic and M2 muscarinic acetylcholine receptor-mediated in immature, but M1-mediated in adult (P40-P80) slices; percentage inhibition was smaller in immature than in adult piriform cortex. In contrast, compared with adults, layer Ia-evoked depolarizing postsynaptic potentials in immature piriform cortex slices in oxotremorine-M, showed a prolonged multiphasic depolarization with superimposed fast transients and spikes, and an increased 'all-or-nothing' character. Isolated N-methyl-d-aspartate receptor-mediated layer Ia depolarizing postsynaptic potentials (although significantly larger in immature slices) were however, unaffected by oxotremorine-M, but blocked by dl-2-amino-5-phosphonovaleric acid. Fast inhibitory postsynaptic potentials evoked by layer Ib or layers II-III-fiber stimulation in immature slices were significantly smaller than in adults, despite similar estimated mean reversal potentials ( approximately -69 and -70 mV respectively). In oxotremorine-M, only layer Ib-fast inhibitory postsynaptic potentials were suppressed; suppression was again most likely presynaptic M2-mediated in immature slices, but M1-mediated in adults. The degree of fast inhibitory postsynaptic potential suppression was however, greater in immature than in adult piriform cortex. Our results demonstrate some important physiological and pharmacological differences between excitatory and inhibitory synaptic systems in adult and immature piriform cortex that could contribute toward the increased susceptibility of this region to muscarinic agonist-induced epileptiform activity in immature brain slices.

Ketamine, propofol, and the EEG: A neural field analysis of HCN1-mediated interactions

Ketamine and propofol are two well-known, powerful anesthetic agents, yet at first sight this appears to be their only commonality. Ketamine is a dissociative anesthetic agent, whose main mechanism of action is considered to be N-methyl-D-aspartate (NMDA) antagonism; whereas propofol is a general anesthetic agent, which is assumed to primarily potentiate currents gated by γ-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors. However, several experimental observations suggest a closer relationship. First, the effect of ketamine on the electroencephalogram (EEG) is markedly changed in the presence of propofol: on its own ketamine increases θ (4–8 Hz) and decreases α (8–13 Hz) oscillations, whereas ketamine induces a significant shift to beta band frequencies (13–30 Hz) in the presence of propofol. Second, both ketamine and propofol cause inhibition of the inward pacemaker current Ih, by binding to the corresponding hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated potassium channel 1 (HCN1) subunit. The resulting effect is a hyperpolarization of the neuron’s resting membrane potential. Third, the ability of both ketamine and propofol to induce hypnosis is reduced in HCN1-knockout mice. Here we show that one can theoretically understand the observed spectral changes of the EEG based on HCN1-mediated hyperpolarizations alone, without involving the supposed main mechanisms of action of these drugs through NMDA and GABAA, respectively. On the basis of our successful EEG model we conclude that ketamine and propofol should be antagonistic to each other in their interaction at HCN1 subunits. Such a prediction is in accord with the results of clinical experiment in which it is found that ketamine and propofol interact in an infra-additive manner with respect to the endpoints of hypnosis and immobility.

Isoform specificity for oestrogen receptor and thyroid hormone receptor genes and their interactions on the NR2D gene promoter

Oestrogens are critical for the display of lordosis behaviour and, in recent years, have also been shown to be involved in synaptic plasticity. In the brain, the regulation of ionotropic glutamate receptors has consequences for excitatory neurotransmission. Oestrogen regulation of the N-methyl-d-aspartate receptor subunit 2D (NR2D) has generated considerable interest as a possible molecular mechanism by which synaptic plasticity can be modulated. Since more than one isoform of the oestrogen receptor (ER) exists in mammals, it is possible that oestrogen regulation via the ERalpha and ERbeta isoforms on the NR2D oestrogen response element (ERE) is not equivalent. In the kidney fibroblast (CV1) cell line, we show that in response to 17beta-oestradiol, only ERalpha, not ERbeta, could upregulate transcription from the ERE which is in the 3' untranslated region of the NR2D gene. When this ERE is in the 5' position, neither ERalpha nor ERbeta showed transactivation capacity. Thyroid hormone receptor (TR) modulation of ER mediated induction has been shown for other ER target genes, such as the preproenkephalin and oxytocin receptor genes. Since the various TR isoforms exhibit distinct roles, we hypothesized that TR modulation of ER induction may also be isoform specific. This is indeed the case. The TRalpha1 isoform stimulated ERalpha mediated induction from the 3'-ERE whereas the TRbeta1 isoform inhibited this induction. This study shows that isoforms of both the ER and TR have different transactivation properties. Such flexible regulation and crosstalk by nuclear receptor isoforms leads to different transcriptional outcomes and the combinatorial logic may aid neuroendocrine integration.