Muscarinic M1, M3, Nicotinic,GABAA and GABAB Receptor Subtypes Gene Expression in Insulin Induced Hypoglycemic Rat Brain Regions: Functional Regulation through Phospholipase C and CREB Protein

In the present study, a detailed investigation on the alterations of muscarinic M1, M3, α7 nicotinic acetylcholine receptor (α7 nAchR), GABA receptors and its subtypes; GABAAα1 and GABAB in the brain regions of streptozotocin induced diabetic and insulin induced hypoglycemic rats were carried out. Gene expression of acetylcholine esterase (AChE), choline acetyltransferase (ChAT), GAD, GLUT3, Insulin receptor, superoxide dismutase (SOD), Bax protein, Phospholipase C and CREB in hypoglycemic and hyperglycemic rat brain were studied. Muscarinic M1, M3 receptors, AChE, ChAT, GABAAα1, GABAB, GAD, Insulin receptor, SOD, Bax protein and Phospholipase C expression in pancreas was also carried out. The molecular studies on the CNS and PNS damage will elucidate the therapeutic role in the corrective measures of the damage to the brain during hypoglycemia and hyperglycemia.

Cholinergic receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats

The present study deals with the Cholinergic Receptor subtypes functional regulation in spinal cord injured monoplegic rats: Effect of 5-HT GABA and bone marrow cells.Spinal cord injury causes permanent and irrevocable motor deficits and neurodegeneration. Disruption of the spinal cord leads to diminished transmission of descending control from the brain to motor neurons and ascending sensory information. Behavioural studies showed deficits in motor control and coordination in SCI rats. Cholinergic system plays an important role in SCI, the evaluation of which provides valuable insight on the underlying mechanisms of motor deficit that occur during SCI. The cholinergic transmission was studied by assessing the muscarinic and nicotinic receptors; cholinergic enzymes- ChAT and AChE; second messenger enzyme PLC; transcription factor CREB and second messengers - IP3, cAMP and cGMP. We observed a decrease in the cholinergic transmission in the brain and spinal cord of SCI rats. The disrupted cholinergic system is the indicative of motor deficit and neuronal degeneration in the spinal cord and brain regions. SCI mediated oxidative stress and apoptosis leads to neuronal degeneration in SCI rats. The decreased expression of anti oxidant enzymes – SOD, GPx and neuronal cell survival factors - BDNF, GDNF, IGF-1, Akt and cyclin D2 along with increased expression of apoptotic factors – Bax, caspase-8, TNFa and NF-kB augmented the neuronal degeneration in SCI condition. BMC administration in combination with 5-HT and GABA in SCI rats showed a reversal in the impaired cholinergic neurotransmission and reduced the oxidative stress and apoptosis. It also enhanced the expression of cell survival factors in the spinal cord region. In SCI rats treated with 5-HT and GABA, the transplanted BMC expressed NeuN confirming that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of BMC to neurons in the spinal cord. Neurotrophic factors and anti-apoptotic elements in SCI rats treated with 5-HT and GABA along with BMC rendered neuroprotective effects accompanied by improvement in behavioural deficits. This resulted in a significant reversal of altered cholinergic neurotransmission in SCI. The restorative and neuro protective effects of BMC in combination with 5-HT and GABA are of immense therapeutic significance in the clinical management of SCI.

Serotonin receptor subtypes functional regulation and oxidative stress mediated apoptosis in 6-hydroxydopamine lesioned Parkinsonian rats

Parkinson’s disease is a chronic progressive neurodegenerative disorder characterized by the selective loss of dopaminergic neurons in the SNpc resulting in severe motor impairments. Serotonergic system plays an important regulatory role in the pathophysiology of PD in rats, the evaluation of which provides valuable insight on the underlying mechanisms of motor, cognitive and memory deficits in PD. We observed a decrease in 5-HT content in the brain regions of 6-OHDA infused rat compared to control. The decreased 5-HT content resulted in a decrease of total 5-HT, 5-HT2A receptors and 5-HTT function and an increase of 5-HT2C receptor function. 5-HT receptor subtypes - 5-HT2A and 5-HT2C receptors have differential regulatory role on the modulation of DA neurotransmission in different brain regions during PD. Our observation of impaired serotonergic neurotransmission in SNpc, corpus striatum, cerebral cortex, hippocampus, cerebellum and brain stem demonstrate that although PD primarily results from neurodegeneration in the SNpc, the associated neurochemical changes in other areas of the brain significantly contributes to the different motor and non motor symptoms of PD. The antioxidant enzymes – SOD, CAT and GPx showed significant down regulation which indicates increased oxidative damage resulting in neurodegeneration. We also observed an increase in the level of lipid peroxidation. Reduced expression of anti-apoptotic Akt and enhanced expression of NF-B resulting from oxidative stress caused an activation of caspase-8 thus leading the cells to neurodegeneration by apoptosis. BMC administration in combination with 5-HT and GABA to PD rats showed reversal of the impaired serotonergic neurotransmission and oxidative stress mediated apoptosis. The transplanted BMC expressed NeuN confirming that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of BMC to neurons in the SNpc along with an increase in DA content and an enhanced expression of TH. Neurotrophic factors – BDNF and GDNF rendered neuroprotective effects accompanied by improvement in behavioural deficits indicating a significant reversal of altered dopaminergic and serotonergic neurotransmission in PD. The restorative and neuroprotective effects of BMC in combination with 5-HT and GABA are of immense therapeutic significance in the clinical management of PD.

Natriorexigenic effect of baclofen is reduced by AT(1) receptor blockade in the lateral parabrachial nucleus

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

The bradycardic and hypotensive responses to serotonin are reduced by activation of GABA A receptors in the nucleus tractus solitarius of awake rats

We investigated the effects of bilateral injections of the GABA receptor agonists muscimol (GABA A) and baclofen (GABA B) into the nucleus tractus solitarius (NTS) on the bradycardia and hypotension induced by iv serotonin injections (5-HT, 2 µg/rat) in awake male Holtzman rats. 5-HT was injected in rats with stainless steel cannulas implanted bilaterally in the NTS, before and 5, 15, and 60 min after bilateral injections of muscimol or baclofen into the NTS. The responses to 5-HT were tested before and after the injection of atropine methyl bromide. Muscimol (50 pmol/50 nl, N = 8) into the NTS increased basal mean arterial pressure (MAP) from 115 ± 4 to 144 ± 6 mmHg, did not change basal heart rate (HR) and reduced the bradycardia (-40 ± 14 and -73 ± 26 bpm at 5 and 15 min, respectively, vs -180 ± 20 bpm for the control) and hypotension (-11 ± 4 and -14 ± 4 mmHg, vs -40 ± 9 mmHg for the control) elicited by 5-HT. Baclofen (12.5 pmol/50 nl, N = 7) into the NTS also increased basal MAP, but did not change basal HR, bradycardia or hypotension in response to 5-HT injections. Atropine methyl bromide (1 mg/kg body weight) injected iv reduced the bradycardic and hypotensive responses to 5-HT injections. The stimulation of GABA A receptors in the NTS of awake rats elicits a significant increase in basal MAP and decreases the cardiac Bezold-Jarisch reflex responses to iv 5-HT injections.

Hypnotic, anticonvulsant and muscle relaxant effects of Rubus brasiliensis. Involvement of GABA(A)-system

Rubus brasiliensis hexanic fraction induced anxiolysis in rodents, which was reversed by flumazenil, a specific GABA(A)-benzodiazepine receptor antagonist (Nogueira et al., 1998a,b). Then, we investigated if this hexanic fraction was able to induce hypnotic, anticonvulsant and muscle relaxant effects, and the involvement of GABA(A)-system. The hexanic fraction (50, 100, 150 and 300 mg/kg, vo) was administered to male Swiss mice, 30 min before the tests. Only the dose of 300 mg/kg of this fraction decreased the latency and increased sleeping time in the barbituric-hypnosis test (sodium pentobarbital, 30 mg/kg, ip), prevented the pentylenetetrazol seizures (70 mg/kg, ip) and induced muscle relaxant (inclined plane) in 100% of animals. These effects were reversed by flumazenil (3 mg/kg, ip). In conclusion: (1) R. brasiliensis hexanic fraction induced hypnotic, anticonvulsant and muscle relaxant effects, in mice, and the GABA(A)-benzodiazepine receptor may play an important role in the effects of this fraction; (2) it is strongly suggested that this fraction contains a benzodiazepine-like principle. (C) 2000 Elsevier B.V. Ireland Ltd. All rights reserved.

Similar anxiolytic-like effects following intra-amygdala infusions of benzodiazepine receptor agonist and antagonist: Evidence for the release of an endogenous benzodiazepine inverse agonist in mice exposed to elevated plus-maze test

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Study on the regulation of mRNA expression of GABA transporters (GAT-1 and GAT-3) in rat brain

The submitted work concentrated on the study of mRNA expression of two distinct GABA transporters, GAT-1 and GAT-3, in the rat brain. For the detection and quantification of the chosen mRNAs, appropriate methods had to be established. Two methods, ribonuclease protection assay (RPA) and competitive RT-PCR were emloyed in the present study. Competitive RT-PCR worked out to be 20 times more sensitive as RPA. Unlike the sensitivity, the fidelity of both techniques was comparable with respect to their intra- and inter-assay variability.The basal mRNA levels of GAT-1 and GAT-3 were measured in various brain regions. Messenger RNAs for both transporters were detected in all tested brain regions. Depending on the region, the observed mRNA level for GAT-1 was 100-300 higher than for GAT-3. The GAT-1 mRNA levels were similar in all tested regions. The distribution of GAT-3 mRNA seemed to be more region specific. The strongest GAT-3 mRNA expression was detected in striatum, medulla oblongata and thalamus. The lowest levels of GAT-3 were in cortex frontalis and cerebellum.Furthermore, the mRNA expression for GAT-1 and GAT-3 was analysed under altered physiological conditions; in kindling model of epilepsy and also after long-term treatment drugs modulating GABAergic transmission. In kindling model of epilepsy, altered GABA transporter function was hypothesised by During and coworkers (During et al., 1995) after observed decrease in binding of nipecotic acid, a GAT ligand, in hippocampus of kindled animals. In the present work, the mRNA levels were measured in hippocampus and whole brain samples. Neither GAT-1 nor GAT-3 showed altered transcription in any tested region of kindled animals compared to controls. This leads to conclusion that an altered functionality of GABA transporters is involved in epilepsy rather than a change in their expression.The levels of GAT-1 and GAT-3 mRNAs were also measured in the brain of rats chronically treated with diazepam or zolpidem, GABAA receptor agonists. Prior to the molecular biology tests, behavioural analysis was carried out with chronically and acutely treated animals. In two tests, open field and elevated plus-maze, the basal activity exploration and anxiety-like behaviour were analysed. Zolpidem treatment increased exploratory activity. There were observed no differencies between chronically and acutely treated animals. Diazepam increased exploratory activity and decresed anxiety-like behaviour when applied acutely. This effect disappeard after chronic administration of diazepam. The loss of effect suggested a development of tolerance to effects of diazepam following long-term administration. Double treatment, acute injection of diazepam after chronic diazepam treatment, confirmed development of a tolerance to effects of diazepam. Also, the mRNAs for GAT-1 and GAT-3 were analysed in cortex frontalis, hippocampus, cerebellum and whole brain samples of chronically treated animals. The mRNA levels for any of tested GABA transporters did not show significant changes in any of tested region neither after diazepam nor zolpidem treatment. Therefore, changes in GAT-1 and GAT-3 transcription are probably not involved in adaptation of GABAergic system to long-term benzodiazepine administration and so in development of tolerance to benzodiazepines.

Charakterisierung funktioneller Domänen für GABA und Furosemid auf GABA A-Rezeptoren

ZUSAMMENFASSUNGDie schnelle inhibitorische Neurotransmission im Säugerhirn ist wesentlich GABA-erg vermittelt.Neben GABA binden u.a. Picrotoxinin und TBPS (tert-Butylbicyclophosphorothionat) am GABAA-Rezeptor. Die Bindung von [35S]TBPS wird durch alle am GABAA-Rezeptor bindenden Substanzen moduliert. Zur Untersuchung der GABAA-Rezeptor-Funktionen wurden TBPS-Bindungsstudien an rekombinant exprimierten Rezeptoren in vitro und nativen Rezeptoren in situ verwendet.Die alpha-Untereinheiten spielen bei der gehirnarealspezifischen Auswirkungen verschiedener GABA-Mimetika, der Charakterisierung subtypspezifischer Substanzen und der Ausprägung der GABA-Sensitivitäten eine große Rolle. Für die Detaillierung der höheren GABA-Sensitivität alpha6-enthaltender Rezeptoren wurden Chimären und Punktmutationen zwischen den Untereinheiten alpha1 und alpha6 hergestellt. Nach Austausch des Asparagins 188 in der alpha1-Untereinheit durch das alpha6-entsprechende Lysin zeigten Rezeptoren in Kombination mit den Untereinheiten beta3 und gamma2 eine erhöhte GABA-Sensitivität gegenüber dem Wildtyp. Dementsprechend wiesen alpha6-enthaltende Rezeptoren mit der umgekehrten Punktmutation L187N eine geringere GABA-Sensitivität auf. Furosemid wirkt ausschließlich auf alpha6beta2/3-enthaltende GABAA-Rezeptors GABA-agonistisch. [35S]TBPS-Bindungsstudien an chimären alpha1/alpha6-Rezeptoren weisen auf eine niedrigpotente Bindungsstelle für Furosemid im extrazellulären Sequenzabschnitt zwischen der Aoc I-Schnittstelle und der TM3-Region hin. Die Substanz 4 PIOL zeigte subtypspezifischen Charakter am GABAA-Rezeptor. In den [35S]TBPS-Autoradiographien und den Bindungsstudien an Membranen wirkte 4 PIOL auf alpha6-enthaltende Rezeptoren schwach GABA-mimetisch bzw. agonistisch, in den [35S]TBPS-Bindungsstudien an alpha6-enthaltenden rekombinanten Rezeptoren schwach negativ modulatorisch oder antagonistisch.

Neue 18 F-markierte Liganden zur Visualisierung des GABA A, alpha 5-Rezeptorstatus mittels PET

Die heutige Verfügbarkeit der molekularen Bildgebung ermöglicht einen signifikanten Einfluss auf die Diagnostik und die Therapiekontrolle von neurodegenerativen Erkrankungen, die unter anderem durch Fehlsteuerungen im GABAergen System auftreten können. Die Visualisierung und Quantifizierung des GABAA-alpha5-Subtyps durch PET könnte dabei zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen wie Alzheimer und traumatischen Neurosen (emotionales Langzeitgedächtnis) beitragen. Ferner eröffnen GABAA/alpha5-subtypselektive Liganden die Möglichkeit, wesentliche Grundlagen der elementaren Vorgänge von Lernen und Erinnern zu untersuchen. 7,8,9,10-Tetrahydro-(7,10-ethan)-1,2,4-triazol[3,4-alpha]phthalazine stellen sich als vielverspre-chende Leitstrukturen zur Entwicklung neuer 18F-markierter alpha5-subtypselektiver GABAA-Rezeptorliganden für die PET dar. Um diese neuartigen Substanzen hinsichtlich ihrer Potenz als GABAA-alpha5-subtypselektive Radioliganden zu verifizieren, wurden zunächst die entsprechenden 19F-Derivate TC07-TC12 synthetisiert. Diese Referenzverbindungen wurden in Rezeptor-bindungsassays und in Autoradiographien mit [3H]Ro 15-4513 als zu verdrängender Radioligand evaluiert. In beiden Experimenten als auch in in vivo-Verdrängungsexperimenten an Ratten konnte eine hohe Affinität im nanomolaren Bereich als auch eine hohe Selektivität bezüglich der GABAA/alpha5-Untereinheit für einige der dargestellten Referenzverbindungen nachgewiesen werden. Gemäß diesen vielversprechenden Ergebnissen wurden verschiedene Markie-rungsvorläufer für eine 18F-Direktmarkierung der relevantesten Substanz TC07 in einer mehrstufigen organischen Synthese dargestellt. Die anschließende 18F-Markierung erfolgte über eine nukleophile Substitution mit [18F]Fluorid. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionstemperatur und dauer, Markierungsvorläuferkonzentration, Basenabhängigkeit und verschiedenen Markierungsmethoden optimiert. Daraus resultierend konnte [18F]TC07 mit bis zu 45 % radiochemischer Ausbeute erhalten werden. Die zerfallskorrigierte, gesamtradiochemische Ausbeute von nca [18F]TC07 in isotonischer NaCl-Lösung betrug 15 %. Basierend auf den bisher erhaltenen Ergebnissen wurde der Radioligand in in vitro-, ex vivo- und in vivo µPET-Experimenten evaluiert. Die zunächst durchgeführten in vitro-Experimente deuteten auf eine homogene Verteilung der Aktivität hin und zeigten keine spezifische Anreicherung. Diese Ergebnisse wurden sowohl in ex vivo- als auch in in vivo-µPET-Studien bestätigt. Auch hier konnte nur eine niedrige Aktivitätsanreicherung, eine homogene Verteilung im gesamten Gehirn und keine Übereinstimmung mit der bekannten GABAA/alpha5-Subtypverteilung gefunden werden. Eine im Anschluss durchgeführte Metabolismusstudie zeigte eine langsame Metabolisierungsrate des [18F]TC07 und auch eine Organverteilungsstudie zeigte keine außergewöhnlichen Anreicherungen. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Radioligand [18F]TC07 kein geeigneter Tracer zur in vivo-Visualisierung der alpha5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors ist.

Die Rolle von GABA- und Glyzinrezeptoren während der radialen Migration kortikaler Neurone in der pränatalen Maus

Für die Entwicklung des zerebralen Kortex ist die radiale Migration von Neuronen von elementarer Bedeutung. Für diese radiale Migration sind extrazelluläre Signale, die mit den Neuronen interagieren und eine Umgestaltung des Zytoskeletts vermitteln, notwendig. Zu den extrazellulären Signalen gehört auch der Neurotransmitter GABA, der über Depolarisation der Neurone einen Ca2+-Einstrom vermittelt und dadurch die Modulation der Migration über Ca2+-abhängige Signalwege ermöglicht. Auch von Taurin ist bekannt, dass es die neuronale Migration beeinflusst. Frühere Studien zeigten, dass die Depolarisation von GABAA-Rezeptoren durch GABA zu einem Migrationsstop führt, wohingegen Picrotoxin-sensitive Rezeptoren die Migration von der Ventrikulären Zone in die Intermediäre Zone des pränatalen Kortex vermitteln. Obwohl zu den Picrotoxin-sensitiven Rezeptoren GABAA-, GABAC- und bestimmte Glyzinrezeptoren gehören, wurde die Rolle von GABAC- und Glyzinrezeptoren während der radialen Migration nie überprüft. Ziel dieser Dissertation war deshalb, den Einfluss von GABAC- und Glyzinrezeptoren auf die radiale Migration zu untersuchen. Unter Verwendung von Migrationsanalysen, Fluoreszenzmessungen, molekularbiologischen und histologischen Methoden wurde gezeigt, dass GABAC-Rezeptoren im unteren Bereiche des präfrontalen Kortex exprimiert werden, ihre Aktivierung durch GABA in der Intermediären Zone zu einer Depolarisation führt, dass GABAC-Rezeptoren die Migration fördern und dieser Effekt über den migrationsstoppenden Effekt der GABAA-Rezeptoren dominiert. Durch Aktivierung der Glyzinrezeptoren fördert Taurin die Migration.

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

Structure, function, and modulation of GABA(A) receptors

The GABA(A) receptors are the major inhibitory neurotransmitter receptors in mammalian brain. Each isoform consists of five homologous or identical subunits surrounding a central chloride ion-selective channel gated by GABA. How many isoforms of the receptor exist is far from clear. GABA(A) receptors located in the postsynaptic membrane mediate neuronal inhibition that occurs in the millisecond time range; those located in the extrasynaptic membrane respond to ambient GABA and confer long-term inhibition. GABA(A) receptors are responsive to a wide variety of drugs, e.g. benzodiazepines, which are often used for their sedative/hypnotic and anxiolytic effects.

Covalent modification of GABAA receptor isoforms by a diazepam analogue provides evidence for a novel benzodiazepine binding site that prevents modulation by these drugs

Classical benzodiazepines, for example diazepam, interact with alpha(x)beta(2)gamma(2) GABA(A) receptors, x = 1, 2, 3, 5. Little is known about effects of alpha subunits on the structure of the binding pocket. We studied here the interaction of the covalently reacting diazepam analog 7-Isothiocyanato-5-phenyl-1,3-dihydro-2H-1,4-benzodiazepin-2-one (NCS compound) with alpha(1)H101Cbeta(2)gamma(2) and with receptors containing the homologous mutation, alpha(2)H101Cbeta(2)gamma(2), alpha(3)H126Cbeta(2)gamma(2) and alpha(5)H105Cbeta(2)gamma(2). This comparison was extended to alpha(6)R100Cbeta(2)gamma(2) receptors as this mutation conveys to these receptors high affinity towards classical benzodiazepines. The interaction was studied at the ligand binding level and at the functional level using electrophysiological techniques. Results indicate that the geometry of alpha(6)R100Cbeta(2)gamma(2) enables best interaction with NCS compound, followed by alpha(3)H126Cbeta(2)gamma(2), alpha(1)H101Cbeta(2)gamma(2) and alpha(2)H101Cbeta(2)gamma(2), while alpha(5)H105Cbeta(2)gamma(2) receptors show little interaction. Our results allow conclusions about the relative apposition of alpha(1)H101 and homologous positions in alpha(2), alpha(3), alpha(5) and alpha(6) with the position occupied by -Cl in diazepam. During this study we found evidence for the presence of a novel site for benzodiazepines that prevents modulation of GABA(A) receptors via the classical benzodiazepine site. The novel site potentially contributes to the high degree of safety to some of these drugs. Our results indicate that this site may be located at the alpha/beta subunit interface pseudo-symmetrically to the site for classical benzodiazepines located at the alpha/gamma interface.

Molecular analysis of the site for 2-arachidonylglycerol (2-AG) on the β 2 subunit of GABA A receptors

2-arachidonyl glycerol (2-AG) allosterically potentiates GABAA receptors via a binding site located in transmembrane segment M4 of the β2 subunit. Two amino acid residues have been described that are essential for this effect. With the aim to further describe this potential drug target, we performed a cysteine scanning of the entire M4 and part of M3. All four residues in M4 affecting the potentiation here and the two already identified residues locate to the same side of the α-helix. This side is exposed to M3, where further residues were identified. From the fact that the important residues span > 18 Å, we conclude that the hydrophobic tail of the bound 2-AG molecule must be near linear and that the site mainly locates to the inner leaflet but stretches far into the membrane. The influence of the structure of the head group of the ligand molecule on the activity of the molecule was also investigated. We present a model of 2-AG docked to the GABAA receptor.