Eupafolin, a constituent of the aerial parts of Phyla nodiflora, has neuroprotective property. Because reducing the synaptic release of glutamate is crucial to achieving pharmacotherapeutic effects of neuroprotectants, we investigated the effect of eupafolin on glutamate release in rat cerebrocortical synaptosomes and explored the possible mechanism. We discovered that eupafolin depressed 4-aminopyridine (4-AP)-induced glutamate release, and this phenomenon was prevented in the absence of extracellular calcium. Eupafolin inhibition of glutamate release from synaptic vesicles was confirmed through measurement of the release of the fluorescent dye FM 1-43. Eupafolin decreased 4-AP-induced [Ca2+]i elevation and had no effect on synaptosomal membrane potential. The inhibition of P/Q-type Ca2+ channels reduced the decrease in glutamate release that was caused by eupafolin, and docking data revealed that eupafolin interacted with P/Q-type Ca2+ channels. Additionally, the inhibition of calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) prevented the effect of eupafolin on evoked glutamate release. Eupafolin also reduced the 4-AP-induced activation of CaMK II and the subsequent phosphorylation of synapsin I, which is the main presynaptic target of CaMKII. Therefore, eupafolin suppresses P/Q-type Ca2+ channels and thereby inhibits CaMKII/synapsin I pathways and the release of glutamate from rat cerebrocortical synaptosomes.
The signal transduction through tyrosine kinases play important roles in neuronal development and synaptic regulation. We carried out immunoblot analyses to study tyrosine=phosphorylated proteins in the rat cerebellar postsynaptic density (PSD), a protein-rich cytoskeletal specialization underlying beneath the postsynaptic membrane. The overall protein composition of cerebellar PSD fractions was similar to that of the forebrain’s and only a few bands were different in Coomassie stain. Immunoblot analyses with phosphtyrosine-specific antiboy (4G10) showed that there are many more tyrosine-phosphorylated proteins in the cerebellar PSD than in the forebrain PSD. Interestiingly, a major phosphotyrosine signals in cerebellar PSD fractions was associated with a 50 kD molecular size, named as PSD-50. Migration of PSD-50 coincided with that of $\alpha$CaMKII and remained in the pellet fraction after N-octylglucoside extraction. These results indicate that tyrosine phosphorylation is important in cerebellar synaptic regulation and that the PSD-50 may be same as $\alpha$CaMKIIor a new protein which is a major substrate of tyrosine kinase.
Although arginase primarily participates in the last reaction of the urea cycle, we have previously demonstrated that arginase II is an important cytosolic calcium regulator through spermine production in a p32-dependent manner. Here, we demonstrated that rhaponticin (RPT) is a novel medicinal-plant arginase inhibitor and investigated its mechanism of action on Ca2+-dependent endothelial nitric oxide synthase (eNOS) activation. RPT was uncompetitively inhibited for both arginases I and II prepared from mouse liver and kidney. It also inhibited arginase activity in both aorta and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Using both microscope and FACS analyses, RPT treatments induced increases in cytosolic Ca2+ levels using Fluo-4 AM as a calcium indicator. Increased cytosolic Ca2+ elicited the phosphorylations of both CaMKII and eNOS Ser1177 in a time-dependent manner. RPT incubations also increased intracellular L-arginine (L-Arg) levels and activated the CaMKII/AMPK/Akt/eNOS signaling cascade in HUVECs. Treatment of L-Arg and ABH, arginase inhibitor, increased intracellular Ca2+ concentrations and activated CaMKII-dependent eNOS activation in ECs of WT mice, but, the effects were not observed in ECs of inositol triphosphate receptor type 1 knockout (IP3R1-/-) mice. In the aortic endothelium of WT mice, RPT also augmented nitric oxide (NO) production and attenuated reactive oxygen species (ROS) generation. In a vascular tension assay using RPT-treated aortic tissue, cumulative vasorelaxant responses to acetylcholine (Ach) were enhanced, and phenylephrine (PE)-dependent vasoconstrictive responses were retarded, although sodium nitroprusside and KCl responses were not different. In this study, we present a novel mechanism for RPT, as an arginase inhibitor, to increase cytosolic Ca2+ concentration in a L-Arg-dependent manner and enhance endothelial function through eNOS activation.
VR1, a capsaicin receptor, is now known to playa major role in mediating inflammatory thermal nociception. Although the physiological role or biophysical properties of VR1 are known, its activation mechanisms by ligands are poorly understood. Here, we show that VR1 requires phosphorylation by $Ca^{2+}$-calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) for its activation by capsaicin. In contrast, dephosphorylation by calcineurin, leads to desensitization of the receptor. Point mutation of VR1 at two putative consensus sites for CaMKII fails to elicit capsaicin-sensitive currents with concomitant reduction in phosphorylation of VR1 in vivo. (omitted)
Phasic and tonic ${\gamma}$-aminobutyric acidA ($GABA_A$) receptor-mediated inhibition critically regulate neuronal information processing. As these two inhibitory modalities have distinctive features in their receptor composition, subcellular localization of receptors, and the timing of receptor activation, it has been thought that they might exert distinct roles, if not completely separable, in the regulation of neuronal function. Inhibition should be maintained and regulated depending on changes in network activity, since maintenance of excitation-inhibition balance is essential for proper functioning of the nervous system. In the present study, we investigated how phasic and tonic inhibition are maintained and regulated by different signaling cascades. Inhibitory postsynaptic currents were measured as either electrically evoked events or spontaneous events to investigate regulation of phasic inhibition in layer 2/3 pyramidal neurons of the rat visual cortex. Tonic inhibition was assessed as changes in holding currents by the application of the $GABA_A$ receptor blocker bicuculline. Basal tone of phasic inhibition was maintained by intracellular $Ca^{2+}$ and $Ca^{2+}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). However, maintenance of tonic inhibition relied on protein kinase A activity. Depolarization of membrane potential (5 min of 0 mV holding) potentiated phasic inhibition via $Ca^{2+}$ and CaMKII but tonic inhibition was not affected. Thus, phasic and tonic inhibition seem to be independently maintained and regulated by different signaling cascades in the same cell. These results suggest that neuromodulatory signals might differentially regulate phasic and tonic inhibition in response to changes in brain states.
In rapidly growing tumors, hypoxia commonly develops due to the imbalance between $O_2$ consumption and supply. Hypoxia Inducible Factor (HIF)-$1{\alpha}$ is a transcription factor responsible for tumor growth and angiogenesis in the hypoxic microenvironment; thus, its inhibition is regarded as a promising strategy for cancer therapy. Given that CamKII or PARP inhibitors are emerging anticancer agents, we investigated if they have the potential to be developed as new HIF-$1{\alpha}$-targeting drugs. When treating various cancer cells with the inhibitors, we found that a CamKII inhibitor, KN-62, effectively suppressed HIF-$1{\alpha}$ specifically in hepatoma cells. To examine the effect of KN-62 on HIF-$1{\alpha}$-driven gene expression, we analyzed the EPO-enhancer reporter activity and mRNA levels of HIF-$1{\alpha}$ downstream genes, such as EPO, LOX and CA9. Both the reporter activity and the mRNA expression were repressed by KN-62. We also found that KN-62 suppressed HIF-$1{\alpha}$ by impairing synthesis of HIF-$1{\alpha}$ protein. Based on these results, we propose that KN-62 is a candidate as a HIF-$1{\alpha}$-targeting anticancer agent.
DNA transfection is a powerful tool for studying gene functions. The $Ca^{2+}$-phosphate precipitation remains one of the most popular and cost-effective transfection techniques. Mature neurons are more resistant to transfection than young ones and most other cell types, and easy to die if microenvironment changes. Here, we report a transfection protocol for mature neurons. The critical modifications are inclusion of glial cells in culture and careful control of $Ca^{2+}$-phosphate precipitation under microscope. Cerebral glial cells were grown until ${\sim}70-80%$ confluence in DMEM/10% horse serum, which was thereafter replaced with serum-free Neurobasal/Ara-C, and 319 hippocampal neurons were plated onto the glial layer Formation of fine $DNA/Ca^{2+}$-phosphate precipitates was induced using Clontech $CalPhos^{TM}$ Mammalian Transfection Kit, and the size ($0.5-1\;{\mu}m$ in diameter) and density(about 10 particles/$100\;{\mu}m^2$) were carefully controlled by the time of incubation in the medium. This modified protocol can be reliably applied for transfection of mature neurons that are maintained longer than two weeks in vitro, resulting in 10-15 healthy transfected neurons per a well of 24-well plates. The efficacy of the protocol was verified by punctate expression of $pEGFP-CaMKII{\alpha}$, a synaptic protein, and diffuse expression of pDsRed2. Our protocol provides a reliable method for transfection of mature neurons in vitro.
Reducing $[Mg^{2+}]_o$ to 0.1 mM can evoke repetitive $[Ca^{2+}]_i$ spikes and seizure activity, which induces neuronal cell death in a process called excitotoxicity. We examined the issue of whether cultured rat hippocampal neurons preconditioned by a brief exposure to 0.1 mM $[Mg^{2+}]_o$ are rendered resistant to excitotoxicity induced by a subsequent prolonged exposure and whether $Ca^{2+}$ spikes are involved in this process. Preconditioning by an exposure to 0.1 mM $[Mg^{2+}]_o$ for 5 min inhibited significantly subsequent 24 h exposure-induced cell death 24 h later (tolerance). Such tolerance was prevented by both the NMDA receptor antagonist D-AP5 and the L-type $Ca^{2+}$ channel antagonist nimodipine, which blocked 0.1 mM $[Mg^{2+}]_o$-induced $[Ca^{2+}]_i$ spikes. The AMPA receptor antagonist NBQX significantly inhibited both the tolerance and the $[Ca^{2+}]_i$ spikes. The intracellular $Ca^{2+}$ chelator BAPTA-AM significantly prevented the tolerance. The nonspecific PKC inhibitor staurosporin inhibited the tolerance without affecting the $[Ca^{2+}]_i$ spikes. While $G{\ddot{o}}6976$, a specific inhibitor of $PKC{\alpha}$ had no effect on the tolerance, both the $PKC{\varepsilon}$ translocation inhibitor and the $PKC{\zeta}$ pseudosubstrate inhibitor significantly inhibited the tolerance without affecting the $[Ca^{2+}]_i$ spikes. Furthermore, JAK-2 inhibitor AG490, MAPK kinase inhibitor PD98059, and CaMKII inhibitor KN-62 inhibited the tolerance, but PI-3 kinase inhibitor LY294,002 did not. The protein synthesis inhibitor cycloheximide significantly inhibited the tolerance. Collectively, these results suggest that low $[Mg^{2+}]_o$ preconditioning induced excitotoxic tolerance was directly or indirectly mediated through the $[Ca^{2+}]_i$ spike-induced activation of $PKC{\varepsilon}$ and $PKC{\xi}$, JAK-2, MAPK kinase, CaMKII and the de novo synthesis of proteins.
Liquiritigenin (LQ) is a flavonoid that can be isolated from Glycyrrhiza radix. It is frequently used as a tranditional oriental medicine herbal treatment for swelling and injury and for detoxification. However, the effects of LQ on cognitive function have not been fully explored. In this study, we evaluated the memory-enhancing effects of LQ and the underlying mechanisms with a focus on the N-methyl-D-aspartic acid receptor (NMDAR) in mice. Learning and memory ability were evaluated with the Y-maze and passive avoidance tests following administration of LQ. In addition, the expression of NMDAR subunits 1, 2A, and 2B; postsynaptic density-95 (PSD-95); phosphorylation of $Ca^{2+}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII); phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK 1/2); and phosphorylation of cAMP response element binding (CREB) proteins were examined by Western blot. In vivo, we found that treatment with LQ significantly improved memory performance in both behavioral tests. In vitro, LQ significantly increased NMDARs in the hippocampus. Furthermore, LQ significantly increased PSD-95 expression as well as CaMKII, ERK, and CREB phosphorylation in the hippocampus. Taken together, our results suggest that LQ has cognition enhancing activities and that these effects are mediated, in part, by activation of the NMDAR and CREB signaling pathways.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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