• Tidak ada hasil yang ditemukan

01Front.pdf - ResearchSpace@Auckland

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2024

Membagikan "01Front.pdf - ResearchSpace@Auckland"

Copied!
16
0
0

Teks penuh

(1)

http://researchspace.auckland.ac.nz

ResearchSpace@Auckland

Copyright Statement

The digital copy of this thesis is protected by the Copyright Act 1994 (New Zealand).

This thesis may be consulted by you, provided you comply with the provisions of the Act and the following conditions of use:

x Any use you make of these documents or images must be for research or private study purposes only, and you may not make them available to any other person.

x Authors control the copyright of their thesis. You will recognise the author's right to be identified as the author of this thesis, and due acknowledgement will be made to the author where appropriate.

x You will obtain the author's permission before publishing any material from their thesis.

To request permissions please use the Feedback form on our webpage.

http://researchspace.auckland.ac.nz/feedback

General copyright and disclaimer

In addition to the above conditions, authors give their consent for the digital copy of their work to be used subject to the conditions specified on the Library Thesis Consent Form and Deposit Licence.

Note : Masters Theses

The digital copy of a masters thesis is as submitted for examination and contains no corrections. The print copy, usually available in the University Library, may contain corrections made by hand, which have been

requested by the supervisor.

(2)

T HE  E XPRESSION AND  R OLE OF  

S PECIFIC  TRP   C HANNELS IN  D OPAMINERGIC   N EURONS OF THE  S UBSTANTIA  N IGRA

A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements

Kenny Kwok Hin CHUNG

(3)

A BSTRACT  

Parkinson’s disease (PD) is the second most prevalent neurodegenerative disease, and 

although can be treated symptomatically, it remains incurable. The main pathological feature of  this disease is the death of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNc). 

It is the loss of dopamine release that causes the debilitating motor symptoms experienced by  PD patients. Understanding the function of SNc neurons during normal and diseased state is  critical for the development of effective treatments and preventative measures. 

This study focused on specific TRP (transient receptor potential) channels that may influence  the function of SNc neurons. Members of the TRP channel superfamily are highly diverse in  terms of activation modality, gating mechanism and expression pattern. Although many of  these channels are expressed in the brain, their pathophysiological role in neurons, particularly  in SNc neurons, is largely unknown. Review of channel properties led to the hypothesis that a  number of TRP channels are functionally expressed in SNc neurons. Activation of TRPM2 and  TRPM7 channels can lead to cell death; TRPM2 is sensitive to oxidative stress whereas TRPM7  is regulated by intracellular ATP and/or magnesium. TRPV3 and TRPV4 are temperature‐gated  channels; however, their expression in the brain, where temperature does not fluctuate 

significantly, suggests they have an additional role unrelated to temperature sensing. The aim  of this study was to assess the expression and functional significance of these four channels  (TRPM2, TRPM7, TRPV3 and TRPV4) in SNc neurons and astrocytes. 

A combination of molecular, electrophysiological and ion imaging techniques was used in acute  brain slices obtained from rats. Evidence of mRNA expression in the SNc was obtained for all  four TRP channels using reverse transcription‐polymerase chain reaction. Immunolabelling 

(4)

revealed TRPM2 protein expression in SNc neurons, whereas TRPV4 was detected in  astrocytes. The protein expression of TRPM7 and TRPV3 was not tested. 

Intracellular application of ADPR, an activator of TRPM2 channels, evoked a dose‐dependent  inward current and [Ca2+]i rise in SNc neurons. The response was inhibited by non‐selective  TRPM2 channel blockers clotrimazole and flufenamic acid. Bath application of H2O2 evoked a  complex response that was mediated in part by KATP channels. TRPM2 channels were also  activated, as demonstrated by partial inhibition of the response with clotrimazole and N‐(p‐

amylcinnamoyl)anthranilic acid (ACA). The response was also shown to be dependent on  [Ca2+]o and resting [Ca2+]i, providing additional evidence for the activation of these channels at  the plasma membrane. 

SNc neurons demonstrated strong sensitivity to temperature changes (24–39 °C): warming  induced an increase in firing frequency, [Ca2+]i and an inward whole‐cell current. These  responses were comparable to those observed by others with activation of TRPV3 or TRPV4  channels in heterologous expression systems. Although the current response was partially  inhibited by ruthenium red, a non‐selective blocker of TRP channels, the lack of selective  antagonists hindered identification of the specific channels activated. SNc astrocytes displayed  similar temperature sensitivity, but were unresponsive to hypoosmolarity. TRPV4 channels  expressed in heterologous systems are typically responsive to changes in both temperature  and osmolarity. 

Data obtained in this study provide novel information on the expression and role of the four  TRP channels in the SNc of the rat, and form a basis for further investigations into the role of  these channels in the pathophysiological processes leading to PD.

(5)

D EDICATION  

This thesis is dedicated to my parents for their unconditional love, support and understanding. 

They taught me the value of patience and persistence, and to strive for the best. I thank them  for shaping me into the person I am today.

(6)

A CKNOWLEDGEMENTS  

First and foremost I need to thank my supervisor, Prof. Janusz Lipski, who introduced me to the  field of scientific research. He generously shared his wisdom and experience, and provided  guidance and support throughout the course of this study. 

I also need to thank a number of laboratory members. I am particularly grateful to Dr John Lin  and Tharu Bowala, who readily offered advice and assistance when I first started. I also need to  thank Dr Dennis de Castro, Dr Ji‐Zhong Bai and Dr Michael Grammer for their advice and help. I  need to thank our technicians, Dong Li and Kritika Gopal, who ensured smooth day‐to‐day  running of the laboratory. 

I need to especially thank Dr. Peter Freestone, who was also a doctoral student in the 

laboratory. We shared five years working together, and I greatly appreciate his friendship, and  his help and support as a research peer. I also need to thank Lin‐Chien Huang for her friendship  and help. 

I would also like to acknowledge the students who have passed though the laboratory during  my course of study, for their companionship: Joanne Davidson, Carthur Wan, Nirubhana  Arunthavasothy, Alexander Trevarton, Stanley Lee, Thomas Park, Nishani Dayaratne and Rashi  Karunasinghe. 

To our newest laboratory members, James McKearney and Andrew Yee, I wish them the best of  luck with their projects.

(7)

T ABLE OF  C ONTENTS  

Abstract  ...  ii

 

Dedication  ...  iv

 

Acknowledgements  ...  v

 

Table of Contents ...  vi

 

List of Figures ...  x

 

List of Tables  ... xii

 

List of Abbreviations  ... xiii

 

1.

 

Introduction ...  1

 

1.1.  Dopaminergic neurons of the substantia nigra ... 1 

1.1.1.  Dopamine as a neurotransmitter in the mesencephalon ... 1 

1.1.2.  Physiological role of the substantia nigra pars compacta ... 2 

1.1.3.  Properties of nigral dopaminergic neurons ... 5 

1.2.  Parkinson’s disease ... 8 

1.2.1.  Clinical symptoms and treatments ... 8 

1.2.2.  Pathology ... 9 

1.2.3.  Aetiology and pathogenesis ... 10 

1.2.3.1.  Aging ... 10 

1.2.3.2.  Genetic factors ... 11 

1.2.3.3.  Environmental factors ... 12 

1.2.3.4.  Proteolytic stress ... 13 

1.2.3.5.  Oxidative stress ... 14 

(8)

1.2.3.6.  Calcium dyshomeostasis ... 16 

1.2.3.7.  Neurotoxins ... 17 

1.2.3.8.  Mitochondrial dysfunction ... 18 

1.2.3.9.  Activity‐dependent survival and KATP channels ... 19 

1.3.  TRP channels – Significance for neuronal cell death ... 21 

1.3.1.  General properties and classification of TRP channels ... 21 

1.3.2.  Cellular stress‐sensitive TRP channels ... 24 

1.3.2.1.  TRPM2 ... 24 

1.3.2.2.  TRPM7 ... 28 

1.3.3.  Temperature‐sensitive TRP channels ... 30 

1.3.3.1.  TRPV3 ... 31 

1.3.3.2.  TRPV4 ... 33 

1.4.  TRP channels in the nigrostriatal system ... 36 

2.

 

Aims of the Study ...  38

 

3.

 

Methods  ...  40

 

3.1.  Brain tissue preparation ... 40 

3.1.1.  Fresh slices ... 40 

3.1.2.  Fixed sections ... 41 

3.2.  Analysis of mRNA expression ... 42 

3.2.1.  RNA extraction ... 42 

3.2.2.  Reverse transcription‐polymerase chain reaction (RT‐PCR) ... 42 

3.2.3.  Immunohistochemistry ... 46 

3.3.  Electrophysiology ... 49 

3.3.1.  Single‐unit extracellular recording ... 49 

3.3.2.  Whole‐cell patch‐clamp recording ... 49 

(9)

3.4.  Calcium imaging ... 51 

3.5.  Changes of temperature ... 55 

3.6.  Drug application ... 56 

3.7.  Solutions ... 57 

3.7.1.  Artificial cerebral spinal fluid (ACSF) ... 57 

3.7.2.  Extracellular microelectrode solution ... 58 

3.7.3.  K+‐based patch pipette solution ... 58 

3.7.4.  Cs+‐based patch pipette solution ... 59 

3.8.  Data analysis ... 61 

4.

 

Results  ...  62

 

4.1.  Identification of dopaminergic neurons in the SNc ... 62 

4.2.  mRNA and protein expression of specific TRP channels in the SN ... 69 

4.2.1.  mRNA expression of specific TRP channels ... 69 

4.2.2.  Protein expression of TRPM2 and TRPV4 channels ... 71 

4.3.  Functional expression of specific TRP channels in SNc neurons ... 76 

4.3.1.  Effects of adenosine diphosphate ribose (ADPR) ... 76 

4.3.2.  Effects of oxidative stress evoked by application of H2O2 ... 79 

4.3.2.1.  Extracellular recording ... 79 

4.3.2.2.  Whole‐cell patch‐clamp recording ... 81 

4.3.3.  Effects of endogenous H2O2 ... 95 

4.3.4.  Effects of temperature ... 100 

4.3.4.1.  Extracellular recording ... 100 

4.3.4.2.  Whole‐cell patch‐clamp recording ... 101 

4.4.  Functional expression of TRPV4 channels in SNc astrocytes ... 106 

(10)

5.

 

Discussion  ...  108

 

5.1.  mRNA and protein expression of specific TRP channels in the SN ... 112 

5.1.1.  TRPM2 ... 113 

5.1.2.  TRPM7 ... 115 

5.1.3.  TRPV3 ... 115 

5.1.4.  TRPV4 ... 115 

5.2.  Functional expression of specific TRP channels in SNc neurons ... 117 

5.2.1.  Functional expression of TRPM2 channels ... 117 

5.2.1.1.  Response to ADPR ... 117 

5.2.1.2.  Response to application of H2O2 ... 119 

5.2.1.3.  Response to endogenous H2O2 ... 124 

5.2.1.4.  Comparison between ADPR‐ and H2O2‐evoked responses ... 125 

5.2.2.  Functional expression of temperature‐sensitive TRP channels ... 128 

5.3.  Functional expression of TRPV4 channels in SNc astrocytes ... 131 

6.

 

Conclusions  ...  133

 

7.

 

Future Directions  ...  135

 

8.

 

List of References  ...  135

 

(11)

L IST OF  F IGURES  

Figure 1.  Motor control circuitry of the basal ganglia. ... 4 

Figure 2.  Phylogenetic tree of the TRP protein superfamily ... 23 

Figure 3.  TH, TRPM2 and TRPM7 mRNAs and primers. ... 44 

Figure 4.  TRPV3 and TRPV4 mRNAs and primers. ... 45 

Figure 5.  Calcium calibration curve for fura‐2. ... 54 

Figure 6.  SNc region in rat midbrain sections in the coronal plane. ... 65 

Figure 7.  SNc dopaminergic neurons in whole‐cell patch‐clamp recording. ... 67 

Figure 8.  SNc dopaminergic neurons in extracellular recording. ... 68 

Figure 9.  mRNA expression of specific TRP channels in the SN. ... 70 

Figure 10.  TH, TRPV4 and GFAP immunoreactivity in the SNc region. ... 74 

Figure 11.  TH and TRPM2 immunoreactivity in the SNc region and the striatum. ... 75 

Figure 12.  Effects of intracellular loading with ADPR. ... 77 

Figure 13.  Effects of CLT and FFA on ADPR‐evoked responses ... 78 

Figure 14.  Changes in firing frequency in response to H2O2 application... 80 

Figure 15.  Changes in whole‐cell current and [Ca2+]i in response to H2O2 application... 83 

Figure 16.  Activation of KATP channels in response to H2O2 application. ... 84 

Figure 17.  Effects of intracellular caesium substitution on H2O2‐induced responses. ... 85 

Figure 18.  Dependence of H2O2‐induced responses on extracellular calcium. ... 87 

Figure 19.  Dependence of H2O2‐induced responses on intracellular calcium. ... 88 

Figure 20.  Effects of CLT on H2O2‐induced responses. ... 91 

Figure 21.  Effects of CLT and ACA pre‐incubation on H2O2‐induced responses. ... 92 

Figure 22.  Effects of 2‐APB and inhibition of ionotropic glutamatergic receptors on H2O2‐ induced responses. ... 93 

(12)

Figure 23.  Effects of DPQ on H2O2‐induced responses. ... 94 

Figure 24.  Effects of MCS and exogenous SOD... 97 

Figure 25.  Effects of ATZ and MCS. ... 98 

Figure 26.  Effects of CLT on ATZ‐evoked whole‐cell current. ... 99 

Figure 27.  Changes in firing frequency in response to temperature stimuli. ... 103 

Figure 28.  Changes in whole‐cell current in response to temperature stimuli. ... 104 

Figure 29.  Changes in whole‐cell current and [Ca2+]i in response to temperature stimuli. ... 105 

Figure 30.  Responses of SNc astrocytes to warming and to hypoosmotic ACSF... 107 

Figure 31.  Cellular mechanisms considered in the current study. ... 109 

Figure 32.  Enzymatic pathways involved in the production and degradation of H2O2. ... 127 

(13)

L IST OF  T ABLES  

Table 1.  Primary antibodies used for immunolabelling. ... 48 

Table 2.  Secondary antibodies used for immunolabelling. ... 48 

Table 3.  Composition of the standard ACSF. ... 58 

Table 4.  Composition of the extracellular microelectrode solution. ... 58 

Table 5.  Composition of the K‐methanesulfonate based patch pipette solution. ... 59 

Table 6.  Composition of the Cs‐methanesulfonate based patch pipette solution. ... 60 

 

(14)

L IST OF  A BBREVIATIONS  

2‐APB  2‐aminoethoxydiphenyl borate 

4α‐PDD  4α‐phorbol 12,13 didecanoate 

5,6‐EET  5’,6’‐epoxyeicosatrienoic acid 

6‐OHDA  6‐hydroxydopamine 

Aβ  amyloid β‐peptide 

ACA  N‐(p‐amylcinnamoyl)anthranilic acid 

ADHD  attention‐deficient hyperactivity disorder 

ADP  adenosine diphosphate 

ADPR  adenosine diphosphate ribose 

ALS‐G  Guamanian amyotrophic lateral sclerosis 

AMP  adenosine monophosphate 

AP5  2‐amino‐5‐phosphonopentanoic acid 

ATP  adenosine triphosphate 

ATZ  3‐amino‐1,2,4‐triazole 

BAA  bisandrographolide A 

β‐NAD+  β‐nicotinamide adenine dinucleotide 

[Ca2+]i  intracellular calcium concentration 

cADPR  cyclic adenosine diphosphate ribose 

CDS  coding sequence 

CLT  clotrimazole 

CNQX  6‐cyano‐7‐nitroquinoxaline‐2,3‐dione 

CNS  central nervous system 

COMT  catechol‐O‐methyltransferase 

DA  dopamine 

DAB  3,3'‐diaminobenzidine 

DAT  dopamine transporter 

(15)

DLB  dementia with Lewy bodies 

DNA  deoxyribonucleic acid 

DPQ  3,4‐Dihydro‐5‐[4‐(1‐piperidinyl)butoxyl]‐1(2H)‐isoquinolinone 

ER  endoplasmic reticulum 

ETC  electron transport chain 

FFA  flufenamic acid 

GABA  γ‐aminobutyric acid 

GFAP  glial fibrillary acidic protein 

GIRK  G protein‐coupled inwardly‐rectifying potassium 

GPe  external globus pallidus 

GPi  internal globus pallidus 

GPx  reduced glutathione 

GSSG  oxidised glutathione 

HCN channels  hyperpolarisation‐activated cyclic nucleotide gated channels 

HEK cell  human embryonic kidney 293 cell 

IR‐DIC  infrared‐differential interference contrast 

IS‐SD  initial segment‐somatodendritic area 

LB  Lewy body 

L‐DOPA  L‐3,4‐dihydroxyphenylalanine 

MagNuM  magnesium‐nucleotide‐regulated metal ion currents 

MAO‐B  monoamine oxidase B 

MCS  mercaptosuccinate 

MIC  magnesium‐inhibited current 

MPTP  1‐methyl‐4‐phenyl‐1,2,3,6‐tetrahydropyridine 

NAC  non‐Aβ component 

NCBI  National Center for Biotechnology Information 

NGF  nerve growth factor 

NSAID  non‐steroidal anti‐inflammatory drugs 

OGD  oxygen glucose deprivation 

PARG  poly ADPR glycohydrolase 

(16)

PARP  poly ADPR polymerase 

PD  Parkinson’s disease 

PD‐G  Guamanian Parkinson‐dementia 

PPN  pedunculopontine nucleus 

RNS  reactive nitrogen species 

ROS  reactive oxygen species 

RR  ruthenium red 

RRF  retrorubral field 

RT‐PCR  reverse‐transcription‐polymerase chain reaction 

SN  substantia nigra 

SNc  substantia nigra pars compacta 

SNr  substantia nigra pars reticulata 

SOD  superoxide dismutase 

SR101  sulforhodamine 101 

STN  subthalamic nucleus 

TH  tyrosine hydroxylase 

TNF‐α  tumor necrosis factor‐α 

TRP  transient receptor potential 

UPS  ubiquitin proteasome system 

VTA  ventral tegmental area 

Referensi

Dokumen terkait

At its core, neuronal electrophysiology involves the study of ion channels and the emergent electrical properties that channels imbue neurons and neuronal networks with

A renewed approach to spectrum management must acknowledge the rapid pace of technological change, the economic value of spectrum, innovation in spectrum access, and the need for

I thank the following libraries and research institutions for their assistance: Alexander Turnbull Library, National Library of New Zealand; Archives New Zealand, Christchurch;

Lamarchec,e aCawthron Institute, Private Bag 2, Nelson, New Zealand bKing Abdullah University of Science and Technology KAUST, Red Sea Research Center, Division of Biological and

116 5.5 NiCr splats on the substrates with thick layers of surface oxide and hydroxide 123 5.5.1 Splat deposition on the substrate held at room temperature .... SPLAT – SUBSTRATE

The evolution of Holocene beach ridge barriers, dune ridge barriers, transgressive dunefield barriers, a chenier plain and a Pleistocene beach ridge barrier are discussed in detail..

Plant Genetics 2005: Mechanisms of Genetic Variation Poster Abstract Number: 96 Title: Characterisation of the Genetic and Hormonal Controls of Branching in Petunia Authors: Joanne

LIST OF FIGURES ix 3.4 Bayesian inference gene tree phylogeny forPlanotortrix andCtenopseustis species based onTPI exon and intron sequences.. 56 4.1 Bayesian inference gene phylogeny