Mineralocorticoid receptor is essential for corticosteroid-induced up-regulation of L-type calcium currents in cultured neonatal cardiomyocytes.

Despite the fact that mineralocorticoid receptor (MR) antagonist drugs such as spironolactone and eplerenone reduce the mortality in heart failure patients, there is, thus far, no unambiguous demonstration of a functional role of MR in cardiac cells. The aim of this work was to investigate the activation pathway(s) mediating corticosteroid-induced up-regulation of cardiac calcium current (ICa). In this study, using neonatal cardiomyocytes from MR or glucocorticoid receptor (GR) knockout (KO) mice, we show that MR is essential for corticosteroid-induced up-regulation of ICa. This study provides the first direct and unequivocal evidence for MR function in the heart.

A gain-of-function allele of TPC1 activates oxylipin biogenesis after leaf wounding in Arabidopsis.

Jasmonates, potent lipid mediators of defense gene expression in plants, are rapidly synthesized in response to wounding. These lipid mediators also stimulate their own production via a positive feedback circuit, which depends on both JA synthesis and JA signaling. To date, molecular components regulating the activation of jasmonate biogenesis and its feedback loop have been poorly characterized. We employed a genetic screen capable of detecting the misregulated activity of 13-lipoxygenase, which operates at the entry point of the jasmonate biosynthesis pathway. Leaf extracts from the Arabidopsis fou2 (fatty acid oxygenation upregulated 2) mutant displayed an increased capacity to catalyze the synthesis of lipoxygenase (LOX) metabolites. Quantitative oxylipin analysis identified less than twofold increased jasmonate levels in healthy fou2 leaves compared to wild-type; however, wounded fou2 leaves strongly increased jasmonate biogenesis compared to wounded wild-type. Furthermore, the plants displayed enhanced resistance to the fungus Botrytis cinerea. Higher than wild-type LOX activity and enhanced resistance in the fou2 mutant depend fully on a functional jasmonate response pathway. The fou2 mutant carries a missense mutation in the putative voltage sensor of the Two Pore Channel 1 gene (TPC1), which encodes a Ca(2+)-permeant non-selective cation channel. Patch-clamp analysis of fou2 vacuolar membranes showed faster time-dependent conductivity and activation of the mutated channel at lower membrane potentials than wild-type. The results indicate that cation fluxes exert strong control over the positive feedback loop whereby JA stimulates its own synthesis.

The Munc13 proteins differentially regulate readily releasable pool dynamics and calcium-dependent recovery at a central synapse.

The Munc13 gene family encodes molecules located at the synaptic active zone that regulate the reliability of synapses to encode information over a wide range of frequencies in response to action potentials. In the CNS, proteins of the Munc13 family are critical in regulating neurotransmitter release and synaptic plasticity. Although Munc13-1 is essential for synaptic transmission, it is paradoxical that Munc13-2 and Munc13-3 are functionally dispensable at some synapses, although their loss in other synapses leads to increases in frequency-dependent facilitation. We addressed this issue at the calyx of Held synapse, a giant glutamatergic synapse that we found to express all these Munc13 isoforms. We studied their roles in the regulation of synaptic transmission and their impact on the reliability of information transfer. Through detailed electrophysiological analyses of Munc13-2, Munc13-3, and Munc13-2-3 knock-out and wild-type mice, we report that the combined loss of Munc13-2 and Munc13-3 led to an increase in the rate of calcium-dependent recovery and a change in kinetics of release of the readily releasable pool. Furthermore, viral-mediated overexpression of a dominant-negative form of Munc13-1 at the calyx demonstrated that these effects are Munc13-1 dependent. Quantitative immunohistochemistry using Munc13-fluorescent protein knock-in mice revealed that Munc13-1 is the most highly expressed Munc13 isoform at the calyx and the only one highly colocalized with Bassoon at the active zone. Based on these data, we conclude that Munc13-2 and Munc13-3 isoforms limit the ability of Munc13-1 to regulate calcium-dependent replenishment of readily releasable pool and slow pool to fast pool conversion in central synapses.

β1- and β3- voltage-gated sodium channel subunits modulate cell surface expression and glycosylation of Nav1.7 in HEK293 cells.

Voltage-gated sodium channels (Navs) are glycoproteins composed of a pore-forming α-subunit and associated β-subunits that regulate Nav α-subunit plasma membrane density and biophysical properties. Glycosylation of the Nav α-subunit also directly affects Navs gating. β-subunits and glycosylation thus comodulate Nav α-subunit gating. We hypothesized that β-subunits could directly influence α-subunit glycosylation. Whole-cell patch clamp of HEK293 cells revealed that both β1- and β3-subunits coexpression shifted V ½ of steady-state activation and inactivation and increased Nav1.7-mediated I Na density. Biotinylation of cell surface proteins, combined with the use of deglycosydases, confirmed that Nav1.7 α-subunits exist in multiple glycosylated states. The α-subunit intracellular fraction was found in a core-glycosylated state, migrating at ~250 kDa. At the plasma membrane, in addition to the core-glycosylated form, a fully glycosylated form of Nav1.7 (~280 kDa) was observed. This higher band shifted to an intermediate band (~260 kDa) when β1-subunits were coexpressed, suggesting that the β1-subunit promotes an alternative glycosylated form of Nav1.7. Furthermore, the β1-subunit increased the expression of this alternative glycosylated form and the β3-subunit increased the expression of the core-glycosylated form of Nav1.7. This study describes a novel role for β1- and β3-subunits in the modulation of Nav1.7 α-subunit glycosylation and cell surface expression.

Impaired beta-adrenergic response and decreased L-type calcium current of hypertrophied left ventricular myocytes in postinfarction heart failure

Infarct-induced heart failure is usually associated with cardiac hypertrophy and decreased ß-adrenergic responsiveness. However, conflicting results have been reported concerning the density of L-type calcium current (I Ca(L)), and the mechanisms underlying the decreased ß-adrenergic inotropic response. We determined I Ca(L) density, cytoplasmic calcium ([Ca2+]i) transients, and the effects of ß-adrenergic stimulation (isoproterenol) in a model of postinfarction heart failure in rats. Left ventricular myocytes were obtained by enzymatic digestion 8-10 weeks after infarction. Electrophysiological recordings were obtained using the patch-clamp technique. [Ca2+]i transients were investigated via fura-2 fluorescence. ß-Adrenergic receptor density was determined by [³H]-dihydroalprenolol binding to left ventricle homogenates. Postinfarction myocytes showed a significant 25% reduction in mean I Ca(L) density (5.7 ± 0.28 vs 7.6 ± 0.32 pA/pF) and a 19% reduction in mean peak [Ca2+]i transients (0.13 ± 0.007 vs 0.16 ± 0.009) compared to sham myocytes. The isoproterenol-stimulated increase in I Ca(L) was significantly smaller in postinfarction myocytes (Emax: 63.6 ± 4.3 vs 123.3 ± 0.9% in sham myocytes), but EC50 was not altered. The isoproterenol-stimulated peak amplitude of [Ca2+]i transients was also blunted in postinfarction myocytes. Adenylate cyclase activation through forskolin produced similar I Ca(L) increases in both groups. ß-Adrenergic receptor density was significantly reduced in homogenates from infarcted hearts (Bmax: 93.89 ± 20.22 vs 271.5 ± 31.43 fmol/mg protein in sham myocytes), while Kd values were similar. We conclude that postinfarction myocytes from large infarcts display reduced I Ca(L) density and peak [Ca2+]i transients. The response to ß-adrenergic stimulation was also reduced and was probably related to ß-adrenergic receptor down-regulation and not to changes in adenylate cyclase activity.

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.

Plasticité présynaptique et gliale à long-terme en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique,à la jonction neuromusculaire d’amphibien

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique.

Calmodulin/KCa3.1 channel interactions as determinant to the KCa3.1 Ca2+ dependent gating : theoretical and experimental analyses

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Caractérisation spatiale des syncytia formés par le couplage des astrocytes du noyau sensoriel principal du nerf trijumeau en fonction de la concentration de calcium extracellulaire.

Le mouvement masticatoire est généré et coordonné par un générateur de patron central (GPC) situé au niveau du pont. Plusieurs résultats antérieurs de notre laboratoire soutiennent que le réseau de neurones à l’origine de la rythmogénèse est situé dans le noyau sensoriel principal du nerf trijumeau (NVsnpr). Ces mêmes expériences révèlent que des diminutions de la concentration calcique extracellulaire ([Ca2+]e) tiennent une place importante dans la génération des bouffées de décharges des neurones de cette région. Notre laboratoire tente de vérifier si la contribution des astrocytes à l’homéostasie de la concentration calcique extracellulaire est impliquée dans la genèse du rythme. Cette étude a pour but la caractérisation spatiale du syncytium astrocytaire au sein du NVsnpr dorsal et l’étude de l’effet de la [Ca2+]e sur les propriétés astrocytaires électrophysiologiques et de connectivité. Nous avons utilisés pour ce faire la technique d’enregistrement par patch-clamp sur une préparation en tranche de tronc cérébral de rat. Nous démontrons ici que la diminution de la [Ca2+]e n’affecte pas les propriétés électrophysiologiques astrocytaires, mais induit une augmentation de la taille du syncytium. De plus, nous établissons l’existence au sein du NVsnpr dorsal d’une organisation anatomofonctionnelle du réseau astrocytaire calquée sur l’organisation neuronale.

Signaling of Pigment-Dispersing Factor (PDF) in the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae

The insect neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a functional ortholog of vasoactive intestinal polypeptide, the coupling factor of the mammalian circadian pacemaker. Despite of PDF's importance for synchronized circadian locomotor activity rhythms its signaling is not well understood. We studied PDF signaling in primary cell cultures of the accessory medulla, the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. In Ca2+ imaging studies four types of PDF-responses were distinguished. In regularly bursting type 1 pacemakers PDF application resulted in dose-dependent long-lasting increases in Ca2+ baseline concentration and frequency of oscillating Ca2+ transients. Adenylyl cyclase antagonists prevented PDF-responses in type 1 cells, indicating that PDF signaled via elevation of intracellular cAMP levels. In contrast, in type 2 pacemakers PDF transiently raised intracellular Ca2+ levels even after blocking adenylyl cyclase activity. In patch clamp experiments the previously characterized types 1–4 could not be identified. Instead, PDF-responses were categorized according to ion channels affected. Application of PDF inhibited outward potassium or inward sodium currents, sometimes in the same neuron. In a comparison of Ca2+ imaging and patch clamp experiments we hypothesized that in type 1 cells PDF-dependent rises in cAMP concentrations block primarily outward K+ currents. Possibly, this PDF-dependent depolarization underlies PDF-dependent phase advances of pacemakers. Finally, we propose that PDF-dependent concomitant modulation of K+ and Na+ channels in coupled pacemakers causes ultradian membrane potential oscillations as prerequisite to efficient synchronization via resonance.

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.

Gap junction-mediated spontaneous Ca(2+) waves in differentiated cholinergic SN56 cells

Neuronal gap junctions are receiving increasing attention as a physiological means of intercellular communication, yet our understanding of them is poorly developed when compared to synaptic communication. Using microfluorimetry, we demonstrate that differentiation of SN56 cells (hybridoma cells derived from murine septal neurones) leads to the spontaneous generation of Ca(2+) waves. These waves were unaffected by tetrodotoxin (1microM), but blocked by removal of extracellular Ca(2+), or addition of non-specific Ca(2+) channel inhibitors (Cd(2+) (0.1mM) or Ni(2+) (1mM)). Combined application of antagonists of NMDA receptors (AP5; 100microM), AMPA/kainate receptors (NBQX; 20microM), nicotinic AChR receptors (hexamethonium; 100microM) or inotropic purinoceptors (brilliant blue; 100nM) was also without effect. However, Ca(2+) waves were fully prevented by carbenoxolone (200microM), halothane (3mM) or niflumic acid (100microM), three structurally diverse inhibitors of gap junctions, and mRNA for connexin 36 was detected by PCR. Whole-cell patch-clamp recordings revealed spontaneous inward currents in voltage-clamped cells which we inhibited by Cd(2+), Ni(2+) or niflumic acid. Our data suggest that differentiated SN56 cells generated spontaneous Ca(2+) waves which are propagated by intercellular gap junctions. We propose that this system can be exploited conveniently for the development of neuronal gap junction modulators.

The Snake Venom Peptide Bj-PRO-7a Is a M1 Muscarinic Acetylcholine Receptor Agonist

Proline-rich peptides from Bothrops jararaca venom (Bj-PRO) were characterized based on the capability to inhibit the somatic angiotensin-converting enzyme. The pharmacological action of these peptides resulted in the development of Captopril, one of the best examples of a target-driven drug discovery for treatment of hypertension. However, biochemical and biological properties of Bj-PROs were not completely elucidated yet, and many recent studies have suggested that their activity relies on angiotensin-converting enzyme-independent mechanisms. Here, we show that Bj-PRO-7a (calcium imaging in these cells ranged from 52 to 1218 nM (EC(50) = 0.31 +/- 0.12 mu M). [Ca(2+)](i) responses in CHO-M1 cells were largely inhibited by pirenzepine, a specific M1 antagonist. Neural-differentiated P19 cells expressing endogenous M1 receptors were also responsive to Bj-PRO-7a application, whereas no such response was observed in undifferentiated P19 cells not expressing muscarinic receptors. As further support for its specific action on M1 receptors, the peptide did not activate M3 subtypes in transfected CHO cells. Our findings provide a novel M1 muscarinic receptor agonist that could be used for basic research and even for pharmacological applications. (C) 2010 International Society for Advancement of Cytometry

Structural, functional, and bioinformatics studies reveal a new snake venom homologue phospholipase A(2) class

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)