A nicotinic acetylcholine receptor (nAchR) isolated from the electric tissues of Torpedo californica has been reconstituted into a vesicle comprising a bifunctional azo-ligand (Bae 1) compound, and a liposome containing phospholipids and cholesterol (1 : 1, w/w). The liposome-mediated reconstituted receptor showed a concentration-dependent response to cholinergic drugs in a lithium ion flux assay. This liposome-mediated reconstituted nAchR was immobilized onto an electrode using various synthetic polymers which were tested for their response to the cholinergic ligands. The immobilized nAchR not only exhibited a linear response to a wide range of cholinergic ligand concentrations but also retained an operational stability which lasted for longer than 6 days. Thus, this result provides a basis for application of the immobilized nAchR-based biosensor in detecting cholinergic ligands in vitro.
Acetylcholine receptors (AChR) including muscarinic and nicotinic AChR are widely expressed and mediate a variety of physiological cellular responses in neuronal and non-neuronal cells. Notably, a functional cholinergic system exists in oral epithelial cells, and nicotinic AChR (nAChR) mediates cholinergic anti-inflammatory responses. However, the pathophysiological roles of AChR in periodontitis are unclear. Here, we show that activation of AChR elicits increased cytosolic $Ca^{2+}([Ca^{2+}]_i)$, transient cytotoxicity, and induction of receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) expression. Intracellular $Ca^{2+}$ mobilization in human gingival fibroblast-1 (hGF-1) cells was measured using the fluorescent $Ca^{2+}$ indicator, fura-2/AM. Cytotoxicity and induction of gene expression were evaluated by measuring the release of glucose-6-phosphate dehydrogenase and RT-PCR. Activation of AChR in hGF-1 cells by carbachol (Cch) induced $[Ca^{2+}]_i$ increase in a dose-dependent manner. Treatment with a high concentration of Cch on hGF-1 cells caused transient cytotoxicity. Notably, treatment of hGF-1 cells with Cch resulted in upregulated RANKL expression. The findings may indicate potential roles of AChR in gingival fibroblast cells in bone remodeling.
Kim, Dae-Ran;Ahn, Sung-Wan;Park, Kyu-Sang;Kong, In-Deok
Biomedical Science Letters
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v.13
no.2
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pp.119-125
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2007
It is widely known that protein tyrosine kinases (PTKs) are involved in controlling many biological processes such as cell growth, differentiation, proliferation, survival and apoptosis. An $\alpha3\beta4$ subunit combination acts as a major functional acetylcholine receptor (nAChRs) in male rat major pelvic ganglion (MPG) neurons, and their activation induces fast inward currents and intracellular calcium increases. Recently it has been reported that the activity of acetylcholine receptors (AChRs) in some neurons can be negatively regulated by PTKs. However, the exact mechanism of regulation of nAChRs by PTKs is poorly understood. Therefore, we examined the potential role particular in nAChR by PTK using electrophysiology and calcium imaging in male rat MPG neurons. ACh induced inward currents and $(Ca^{2+})_i$ increases in MPG neurons, concomitantly. These responses were inhibited by more than 90% in $Na^+$- or $Ca^{2+}$- free solution. $\alpha$-conotoxin AuIB, a selective $\alpha3\beta4$ nAChR blocket, inhibited ACh-induced inward currents. Genistein (10 $\mu$M), a broad-spectrum tyrosine kinase inhibitor, markedly decreased ACh-induced currents and $Ca^{2+}$ transients, whereas 10 $\mu$M genistin, an inactive analogue, had little effect. Overall these data suggest that the activities of $\alpha3\beta4$ AChRs in MPG neurons are positively regulated by PTK. In conclusion, trosine kinase may be one of the key factors in the regulation of $\alpha3\beta4$ nAChRs in rat MPG neurons, which may play an important roles in the autonomic neuronal function such as synaptic transmission, autonomic reflex, and neuronal plasticity.
Our previous report demonstrated that chick myoblasts are equipped with $Ca^{2+}$-permeable stretchactivated channels and $Ca^{2+}-activated$ potassium channels ($K_{Ca}$), and that hyperpolarization-induced by $K_{Ca}$ channels provides driving force for $Ca^{2+}$ influx through the stretch-activated channels into the cells. Here, we showed that acetylcholine (ACh) also hyperpolarized the membrane of cultured chick myoblasts, suggesting that nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) may be another pathway for $Ca^{2+}$ influx. Under cell-attatched patch configuration, ACh increased the open probability of $K_{Ca}$ channels from 0.007 to 0.055 only when extracellular $Ca^{2+}$ was present. Nicotine, a nAChR agonist, increased the open probability of $K_{Ca}$ channels from 0.008 to 0.023, whereas muscarine failed to do so. Since the activity of $K_{Ca}$ channel is sensitive to intracellular $Ca^{2+}$ level, nAChR seems to be capable of inducing $Ca^{2+}$ influx. Using the $Ca^{2+}$ imaging analysis, we were able to provide direct evidence that ACh induced $Ca^{2+}$ influx from extracellular solution, which was dramatically increased by valinomycin-mediated hyperpolarization. In addition, ACh hyperpolarized the membrane potential from $-12.5{\pm}3$ to $-31.2{\pm}5$ mV by generating the outward current through $K_{Ca}$ channels. These results suggest that activation of nAChR increases $Ca^{2+}$ influx, which activates $K_{Ca}$ channels, thereby hyperpolarizing the membrane potential in chick myoblasts.
Proceedings of the Korean Society of Applied Pharmacology
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1999.04a
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pp.1-4
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1999
The potential therapeutic benefit of nicotinic ligands in a variety of neurodegenerative pathologies involving the CNS has energized research efforts to develop nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) subtype-selective ligands. In particular, there has been a concerted effort to develop nicotinic compounds with selectivity for CNS nAChRs as potential pharmacological tools in the management of these disorders. The characterization of other novel nicotinic ligands such as epibatidine. showing a marked increase in potency at nAChRs, has provided additional support for the development of potent, selective ligands at individual nAChR subtypes. We have developed and studied a number of nicotinic compounds to identify potential candidates exhibiting such selectivity. In the present study, we report the synthesis and biological evaluations of some azabicyclic and azatricyclic nicotine analogs to decipher the relationship among steric requirements of the nicotine's pyrrolidine ring system, binding affinity and subtype-selectivity.
Jo, Su-Hyun;Lee, Seung-Hyun;Kim, Kyong-Tai;Choi, Se-Young
International Journal of Oral Biology
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v.44
no.2
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pp.50-54
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2019
Melatonin is a neurotransmitter that modulates various physiological phenomena including regulation and maintenance of the circadian rhythm. Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) play an important role in oral functions including orofacial muscle contraction, salivary secretion, and tooth development. However, knowledge regarding physiological crosstalk between melatonin and nAChRs is limited. In the present study, the melatonin-mediated modulation of nAChR functions using bovine adrenal chromaffin cells, a representative model for the study of nAChRs, was investigated. Melatonin inhibited the nicotinic agonist dimethylphenylpiperazinium (DMPP) iodide-induced cytosolic free $Ca^{2+}$ concentration ($[Ca^{2+}]_i$) increase and norepinephrine secretion in a concentration-dependent manner. The inhibitory effect of melatonin on the DMPP-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase was observed when the melatonin treatment was performed simultaneously with DMPP. The results indicate that melatonin inhibits nAChR functions in both peripheral and central nervous systems.
Kim, Eun-Ae;Jung, Kyoung-Chul;Sohn, Uy-Dong;Im, Chae-Uk
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.13
no.1
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pp.55-59
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2009
Three dimensional quantitative structure activity relationship between diazabicyclo[4.2.0]octanes and nicotinic acetylcholine receptor($h{\alpha}4{\beta}2$ and $h{\alpha}3{\beta}4$) agonists was studied using comparative molecular field analysis(CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis(CoMSIA). From 11 CoMFA and CoMSIA models, CoMSIA with steric and electrostatic fields gave the best predictive models($q^2=0.926$ and 0.945, ${r^2}_{ncv}=0.983$ and 0.988). This study can be used to develop potent $h{\alpha}4{\beta}2$ receptor agonists with low activity on $h{\alpha}3{\beta}4$ subtype.
Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are a diverse family of homo- or heteropentameric ligand-gated ion channels. Understanding the physiological role of each nAChR subtype and the key residues responsible for normal and pathological states is important. ${\alpha}$-Conotoxin neuropeptides are highly selective probes capable of discriminating different subtypes of nAChRs. In this study, we performed homology modeling to generate the neuronal ${\alpha}3$, ${\beta}2$ and ${\beta}4$ subunits using the x-ray structure of the ${\alpha}1$ subunit as a template. The structures of the extracellular domains containing ligand binding sites in the ${\alpha}3{\beta}2$ and ${\alpha}3{\beta}4$ nAChR subtypes were constructed using MD simulations and ligand docking processes in their free and ligand-bound states using ${\alpha}$-conotoxin GIC, which exhibited the highest ${\alpha}3{\beta}2$ vs. ${\alpha}3{\beta}4$ discrimination ratio. The results provide a reasonable structural basis for such a discriminatory ability, supporting the idea that the present strategy can be used for future investigations on nAChR-ligand complexes.
Quercetin is a flavonoid usually found in fruits and vegetables. Aside from its antioxidative effects, quercetin, like other flavonoids, has a various neuropharmacological actions. Quercetin-3-O-rhamnoside (Rham1), quercetin-3-O-rutinoside (Rutin), and quercetin-3-(2(G)-rhamnosylrutinoside (Rham2) are mono-, di-, and tri-glycosylated forms of quercetin, respectively. In a previous study, we showed that quercetin can enhance ${\alpha}7$ nicotinic acetylcholine receptor (${\alpha}7$ nAChR)-mediated ion currents. However, the role of the carbohydrates attached to quercetin in the regulation of ${\alpha}7$ nAChR channel activity has not been determined. In the present study, we investigated the effects of quercetin glycosides on the acetylcholine induced peak inward current ($I_{ACh}$) in Xenopus oocytes expressing the ${\alpha}7$ nAChR. $I_{ACh}$ was measured with a two-electrode voltage clamp technique. In oocytes injected with ${\alpha}7$ nAChR copy RNA, quercetin enhanced $I_{ACh}$, whereas quercetin glycosides inhibited $I_{ACh}$. Quercetin glycosides mediated an inhibition of $I_{ACh}$, which increased when they were pre-applied and the inhibitory effects were concentration dependent. The order of $I_{ACh}$ inhibition by quercetin glycosides was Rutin${\geq}$Rham1>Rham2. Quercetin glycosides-mediated $I_{ACh}$ enhancement was not affected by ACh concentration and appeared voltage-independent. Furthermore, quercetin-mediated $I_{ACh}$ inhibition can be attenuated when quercetin is co-applied with Rham1 and Rutin, indicating that quercetin glycosides could interfere with quercetin-mediated ${\alpha}7$ nAChR regulation and that the number of carbohydrates in the quercetin glycoside plays a key role in the interruption of quercetin action. These results show that quercetin and quercetin glycosides regulate the ${\alpha}7$ nAChR in a differential manner.
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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2003.06a
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pp.51-51
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2003
The medicinal plant Cimicifuga Racemosa (Black cohosh) has been used to treat many kinds of neuronal and menopausal symptoms, such as arthritis, menopausal depression, nerve pain, etc. Here, we examined the effect of Cimicifugoside (CF), one of triterpene glycosides which have been known as pharmacologically active ingredients of C. Racemosa, on nicotinic acetylcholine receptor (nAChR)-mediated catecholamine (CA) secretion in bovine adrenal chromaffin cell. Cimicifugoside inhibited calcium increase induced by 1,1-dimethyl-4-phenylpiperazinium iodide (DMPP), a nAChR agonist with a half maximal inhibitory concentration (IC50) of 18${\pm}$2${\mu}$M. In contrast, cimicifugoside did not affect the calcium increases evoked by high K$\^$+/, veratridine, and bradykinin. The DMPP-induced sodium increase was also inhibited by cimicifugoside with IC50 of 2${\pm}$0.3${\mu}$M, suggesting that the activity of nAChRs is inhibited by cimicifugoside. Cimicifugoside did not effect on the KCl-induced secretion but markedly inhibited the DMPP-induced catecholamine secretion which was monitored by carbon-fiber amperometry in real time, and by high performance liquid chromatography (HPLC) through electrochemical detection. The results suggest that cimicifugoside selectively inhibits nAChR-mediated response in bovine chromaffin cells.
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