SHP2 is an unusual protein phosphatase that functions as an activator for several signaling pathways, including the RAS pathway, while most other phosphatases suppress their downstream signaling cascades. The physiological and pathophysiological roles of SHP2 have been extensively studied in the field of cancer research. Mutations in the PTPN11 gene which encodes SHP2 are also highly associated with developmental disorders, such as Noonan syndrome (NS), and cognitive deficits including learning disabilities are common among NS patients. However, the molecular and cellular mechanism by which SHP2 is involved in cognitive functions is not well understood. Recent studies using SHP2 mutant mice or pharmacological inhibitors have shown that SHP2 plays critical role in learning and memory and synaptic plasticity. Here, we review the recent studies demonstrating that SHP2 is involved in synaptic plasticity, and learning and memory, by the regulation of the expression and/or function of glutamate receptors. We suggest that each cell type may have distinct paths connecting the dots between SHP2 and glutamate receptors, and these paths may also change with aging.
Kim, Shin-Hye;Park, Yu-Mi;Sungkwon Chung;Uhm, Dae-Yong;Park, Myoung-Kyu
Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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2003.06a
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pp.40-40
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2003
Spontaneous firing rate and patterns of dopaminergic neurons in midbrain are key factors in determining the level of dopamine at target loci as well as in the mechanisms such as reward and motor coordination. Although glutamate, as a major afferent, is reported to enhance firing rate, the detailed actions of NMDA-, AMPA/kainate-, and metabotropic glutamate receptors (mGluR) on filing patterns are not clear. Thus we have investigated the role of glutamate receptors on the spontaneous firing activities using the network-free, acutely isolated dopamine neurons from substantia nigra pars compacta(SNc) of the 9-14 days rat. The isolated cells showed spontaneous regular firings of near 2.5 Hz, whose rate was enhanced by glutamate at submicromolar levels (0.3 $\square$M) but abolished by high concentrations more than 10 $\square$M.
The glutamate receptors (GluRs) are key receptors for modulatory synaptic events in the central nervous system. It has been reported that glutamate increases the intracellular $Ca^{2+}$ concentration ($[Ca^{2+}]_i$) and induces cytotoxicity. In the present study, we investigated whether the glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase was associated with the activation of ionotropic (iGluR) and metabotropic GluRs (mGluR) in substantia gelatinosa neurons, using spinal cord slice of juvenile rats (10${\sim}21 day). $[Ca^{2+}]_i$ was measured using conventional imaging techniques, which was combined with whole-cell patch clamp recording by incorporating fura-2 in the patch pipette. At physiological concentration of extracellular $Ca^{2+}$, the inward current and $[Ca^{2+}]_i$ increase were induced by membrane depolarization and application of glutamate. Dose-response relationship with glutamate was observed in both $Ca^{2+}$ signal and inward current. The glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase at holding potential of -70 mV was blocked by CNQX, an AMPA receptor blocker, but not by AP-5, a NMDA receptor blocker. The glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase in $Ca^{2+}$ free condition was not affected by iGluR blockers. A selective mGluR (group I) agonist, RS-3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG), induced $[Ca^{2+}]_i$ increase at holding potential of -70 mV in SG neurons. These findings suggest that the glutamate-induced $[Ca^{2+}]_i$ increase is associated with AMPA-sensitive iGluR and group I mGluR in SG neurons of rats.
Rubio, Maria D.;Drummond, Jana B.;Meador-Woodruff, James H.
Biomolecules & Therapeutics
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v.20
no.1
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pp.1-18
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2012
Schizophrenia is a devastating psychiatric illness that afflicts 1% of the population worldwide, resulting in substantial impact to patients, their families, and health care delivery systems. For many years, schizophrenia has been felt to be associated with dysregulated dopaminergic neurotransmission as a key feature of the pathophysiology of the illness. Although numerous studies point to dopaminergic abnormalities in schizophrenia, dopamine dysfunction cannot completely account for all of the symptoms seen in schizophrenia, and dopamine-based treatments are often inadequate and can be associated with serious side effects. More recently, converging lines of evidence have suggested that there are abnormalities of glutamate transmission in schizophrenia. Glutamatergic neurotransmission involves numerous molecules that facilitate glutamate release, receptor activation, glutamate reuptake, and other synaptic activities. Evidence for glutamatergic abnormalities in schizophrenia primarily has implicated the NMDA and AMPA subtypes of the glutamate receptor. The expression of these receptors and other molecules associated with glutamate neurotransmission has been systematically studied in the brain in schizophrenia. These studies have generally revealed region- and molecule-specifi c changes in glutamate receptor transcript and protein expression in this illness. Given that glutamatergic neurotransmission has been implicated in the pathophysiology of schizophrenia, recent drug development efforts have targeted the glutamate system. Much effort to date has focused on modulation of the NMDA receptor, although more recently other glutamate receptors and transporters have been the targets of drug development. These efforts have been promising thus far, and ongoing efforts to develop additional drugs that modulate glutamatergic neurotransmission are underway that may hold the potential for novel classes of more effective treatments for this serious psychiatric illness.
The substantia gelatinosa (SG) of the trigeminal subnucleus caudalis (Vc) is the first relay site for the orofacial nociceptive inputs via the thin myelinated Aδ and unmyelinated C primary afferent fibers. Borneol, one of the valuable time-honored herbal ingredients in traditional Chinese medicine, is a popular treatment for anxiety, anesthesia, and antinociception. However, to date, little is known as to how borneol acts on the SG neurons of the Vc. To close this gap, the whole-cell patch-clamp technique was applied to elucidate the antinociceptive mechanism responding for the actions of borneol on the SG neurons of the Vc in mice. In the voltage-clamp mode, holding at -60 mV, the borneol-induced non-desensitizing inward currents were not affected by tetrodotoxin, a voltage-gated Na+ channel blocker, 6-cyano-7-nitro-quinoxaline-2,3-dione, a non-N-methyl-ᴅ-aspartate (NMDA) glutamate receptor antagonist and DL-2-amino-5-phosphonopentanoic acid, an NMDA receptor antagonist. However, borneol-induced inward currents were partially decreased in the presence of picrotoxin, a γ-aminobutyric acid (GABA)A receptor antagonist, or strychnine, a glycine receptor antagonist, and was almost suppressed in the presence of picrotoxin and strychnine. Though borneol did not show any effect on the glycine-induced inward currents, borneol enhanced GABA-mediated responses. Beside, borneol enhanced the GABA-induced hyperpolarization under the current-clamp mode. Altogether, we suggest that borneol contributes in part toward mediating the inhibitory GABA and glycine transmission on the SG neurons of the Vc and may serve as an herbal therapeutic for orofacial pain ailments.
Neuronal excitotoxicity induces mitochondrial dysfunction and the release of proapoptotic proteins. Excitotoxicity, the process by which the overactivation of excitatory neurotransmitter receptors leads to neuronal cell death. Neuronal death by excitotoxicity was related to neuronal degenerative disorders and hypoxia, results from excessive exposure to excitatory neurotransmitters, such as glutamate. Glutamate acts at NMDA receptors in cultured neurons to increase the intracellular free calcium concentration. Therefore endogenous glutamate may be a key factor to regulate neuronal cell death via activating $Ca^{2+}$ signaling. For this issue, we tested some conditions to alter intracellular $Ca^{2+}$ level in dissociated hippocampal neurons of rats. Cultured hippocampal neuron were treated by KCl (20 mM), $CaCl_2$ (3.8 mM) and glutamate ($5{\mu}M$) for 24 hrs. Interestingly, The Optical Density of hippocampal neurons was increased by high KCl application in MTT assay data. This enhanced response by high KCl was dependent on synaptic $Ca^{2+}$ influx but not on intracellular $Ca^{2+}$ level. However, the number of neurons seemed to be not changed in Hoechst 33342 staining data. These results suggest that enhancement of synaptic activity plays a key role to increase mitochondrial signaling in hippocampal neurons.
Kim, Su-Don;Oh, Sei-Kwan;Kim, Hack-Seang;Seong, Yeon-Hee
Archives of Pharmacal Research
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v.24
no.2
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pp.164-170
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2001
Glutamate receptors-mediated excitoxicity is believed to play a role in the pathophysiology of neurodegenerative diseases. The present study was performed to evaluate the inhibitory effect of fanschinoline, a bis-benzylisoquinoline alkaloid, which has a characteristic as a $Ca^{2+}$channel blockers on excitatory amino acids (EAAS)-induced neurotoxicity in cultured rat cerebellar granule neuron. Fangchinoline (1 and 5$\mu\textrm{m}$) inhibited glutamate (1 ${m}M$), N-methyl-D-aspartate (NMDA; 1 ${m}M$) and kainate (100$\mu\textrm{m}$)-induced neuronal cell death which was measured by trypan blue exclusion test. Fangchinoline (1 and 5$\mu\textrm{m}$) inhibited glutamate release into medium induced by NMDA (1 ${m}M$) and kainate (100$\mu\textrm{m}$), which was measured by HPLC. And fangchinoline (5$\mu\textrm{m}$) inhibited glutamate (1 ${m}M$)-induced elevation of intracellular calcium concentration. These results suggest that inhibition of $Ca^{2+}$influx by fangchinoline may contribute to the beneficial effects on neurodegenerative effect of glutamate in pathophysiological conditions.
Journal of Physiology & Pathology in Korean Medicine
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v.17
no.4
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pp.996-1001
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2003
It is well known that oxidative stress of reactive oxygen species(ROS) may be a causative factor in the pathogenesis of bone disorder. The purpose of this study was to evaluate the cytotoxicity of oxidative stress. Cell viability by MTS assay or INT assay, activity of glutathione peroxidase(GPx), lipid peroxidation(LPO) activity and cell viablity. And also protctive effect of glutamate receptors against ROS-induced osteotoxicity was examined by protein synthesis, alkaline phosphatase (ALP) activity and lactate dehydrogenase (LDH) activity in cultured rat osteoblasts and osteoclasts. XO/HX decreased cell viability and GPx activity, protein synthesis and ALP activity, but increased LPO activity and LDH activity. In the protective effect, N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor antagonists or AMPA/kainate receptor antagonists such as D-2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV), 7-chlorokynurenic acid (CKA), 6-cyano-7-nitroquinoxaline-2,3-dione (CNQX) and 6,7-dinitroquinoxaline-2,3-dione (DNQX), NMDA receptor antagonists but AMPA/kainate receptor antagonists showed protective effect on xanthine oxidase (XO) and hypoxanthine (HX) in these cultures by the increse of protein synthesis, ALP activity.
The last two decades have shown a marked expansion in publications of diverse effects of Panax ginseng. Ginsenosides, as active ingredients of Panax ginseng, are saponins found in only ginseng. Recently, a line of evidences shows that ginsenosides regulate various types of ion channel activity such as $Ca^{2+},\;K^+,\;Na^+,\;Cl^-$, or ligand gated ion channels (i.e. $5-HT_3$, nicotinic acetylcholine, or NMDA receptor) in neuronal, non-neuronal cells, and heterologously expressed cells. Ginsenosides inhibit voltage-dependent $Ca^{2+},\;K^+,\;and\;Na^+$ channels, whereas ginsenosides activate $Ca^{2+}-activated\;Cl^-\;and\;Ca^{2+}-activated\;K^+$ channels. Ginsenosides also inhibit excitatory ligand-gated ion channels such as $5-HT_3$, nicotinic acetylcholine, and NMDA receptors. This review will introduce recent findings on the ginsenoside-induced differential regulations of ion channel activities and will further expand the possibilities how these ginsenoside-induced ion channel regulations are coupled to biological effects of Panax ginseng.
Kwon, Kyoung Wan;Nam, Yoonjin;Choi, Won Seok;Kim, Tae Wook;Kim, Geon Min;Sohn, Uy Dong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.23
no.4
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pp.263-270
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2019
Hydrogen sulfide is well-known to exhibit anti-inflammatory and cytoprotective activities, and also has protective effects in the liver. This study aimed to examine the protective effect of hydrogen sulfide in rats with hepatic encephalopathy, which was induced by mild bile duct ligation. In this rat model, bile ducts were mildly ligated for 26 days. Rats were treated for the final 5 days with sodium hydrosulfide (NaHS). NaHS ($25{\mu}mol/kg$), 0.5% sodium carboxymethyl cellulose, or silymarin (100 mg/kg) was administered intraperitoneally once per day for 5 consecutive days. Mild bile duct ligation caused hepatotoxicity and inflammation in rats. Intraperitoneal NaHS administration reduced levels of aspartate aminotransferase and alanine aminotransferase, which are indicators of liver disease, compared to levels in the control mild bile duct ligation group. Levels of ammonia, a major causative factor of hepatic encephalopathy, were also significantly decreased. Malondialdehyde, myeloperoxidase, catalase, and tumor necrosis factor-${\alpha}$ levels were measured to confirm antioxidative and anti-inflammatory effects. N-Methyl-D-aspartic acid (NMDA) receptors with neurotoxic activity were assessed for subunit NMDA receptor subtype 2B. Based on these data, NaHS is suggested to exhibit hepatoprotective effects and guard against neurotoxicity through antioxidant and anti-inflammatory actions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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