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In homeostatic scaling at central synapses, the depth and breadth of cellular mechanisms that detect the offset from the set-point, detect the duration of the offset and implement a cellular response are not well understood. To understand the time-dependent scaling dynamics we treated cultured rat hippocampal cells with either TTX or bicucculline for 2 hr to induce the process of up- or down-scaling, respectively. During the activity manipulation we metabolically labeled newly synthesized proteins using BONCAT. We identified 168 newly synthesized proteins that exhibited significant changes in expression. To obtain a temporal trajectory of the response, we compared the proteins synthesized within 2 hr or 24 hr of the activity manipulation. Surprisingly, there was little overlap in the significantly regulated newly synthesized proteins identified in the early- and integrated late response datasets. There was, however, overlap in the functional categories that are modulated early and late. These data indicate that within protein function groups, different proteomic choices can be made to effect early and late homeostatic responses that detect the duration and polarity of the activity manipulation.
Compartmental models are the theoretical tool of choice for understanding single neuron computations. However, many models are incomplete, built ad hoc and require tuning for each novel condition rendering them of limited usability. Here, we present T2N, a powerful interface to control NEURON with Matlab and TREES toolbox, which supports generating models stable over a broad range of reconstructed and synthetic morphologies. We illustrate this for a novel, highly detailed active model of dentate granule cells (GCs) replicating a wide palette of experiments from various labs. By implementing known differences in ion channel composition and morphology, our model reproduces data from mouse or rat, mature or adult-born GCs as well as pharmacological interventions and epileptic conditions. This work sets a new benchmark for detailed compartmental modeling. T2N is suitable for creating robust models useful for large-scale networks that could lead to novel predictions. We discuss possible T2N application in degeneracy studies.
Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a major global health problem and is predicted to become the third most common cause of death by 2020. Apart from the important preventive steps of smoking cessation, there are no other specific treatments for COPD that are as effective in reversing the condition, and therefore there is a need to understand the pathophysiological mechanisms that could lead to new therapeutic strategies. The development of experimental models will help to dissect these mechanisms at the cellular and molecular level. COPD is a disease characterized by progressive airflow obstruction of the peripheral airways, associated with lung inflammation, emphysema and mucus hypersecretion. Different approaches to mimic COPD have been developed but are limited in comparison to models of allergic asthma. COPD models usually do not mimic the major features of human COPD and are commonly based on the induction of COPD-like lesions in the lungs and airways using noxious inhalants such as tobacco smoke, nitrogen dioxide, or sulfur dioxide. Depending on the duration and intensity of exposure, these noxious stimuli induce signs of chronic inflammation and airway remodelling. Emphysema can be achieved by combining such exposure with instillation of tissue-degrading enzymes. Other approaches are based on genetically-targeted mice which develop COPD-like lesions with emphysema, and such mice provide deep insights into pathophysiological mechanisms. Future approaches should aim to mimic irreversible airflow obstruction, associated with cough and sputum production, with the possibility of inducing exacerbations.
Regulation of protein turnover allows cells to react to their environment and maintain homeostasis. Proteins can show different turnover rates in different tissue, but little is known about protein turnover in different brain cell types. We used dynamic SILAC to determine half-lives of over 5100 proteins in rat primary hippocampal cultures as well as in neuron-enriched and glia-enriched cultures ranging from <1 to >20 days. In contrast to synaptic proteins, membrane proteins were relatively shorter-lived and mitochondrial proteins were longer-lived compared to the population. Half-lives also correlate with protein functions and the dynamics of the complexes they are incorporated in. Proteins in glia possessed shorter half-lives than the same proteins in neurons. The presence of glia sped up or slowed down the turnover of neuronal proteins. Our results demonstrate that both the cell-type of origin as well as the nature of the extracellular environment have potent influences on protein turnover.
Kukoresa muku rat
(2010)
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.
Hintergrund: Neben anderen Faktoren wird Ciclosporin A (CSA) immer wieder mit der Entwicklung der Transplantatvaskulopathie (TVP) in Verbindung gebracht. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, den Einfluss verschiedener CSA-Regime auf die TVP in einem heterotopen Herztransplantationsmodell der Ratte zu bestimmen. Methoden:Nach heterotoper Herztransplantation (Lewis auf Fisher 344) wurden die Tiere mit 3mg/kgKG/d bzw. 12mg/kgKG/d, welches subkutan appliziert wurde, behandelt. Die Kontrollgruppe erhielt kein CSA. Die CSA-Blutspiegel wurden alle 10 Tage bestimmt. 20, 40, 60 und 80 Tage post transplantationem wurden die Inzidenz und der Schweregrad, gemessen als MVO (mean vessel occlusion), der TVP bestimmt. Ergebnisse: In der 12mg-Gruppe waren die CSA-Blutspiegel fast zehnmal höher als in der 3mg-Gruppe. Nur in der 12mg-Gruppe war die Inzidenz der TVP signifikant zur Kontrollgruppe reduziert. Kontinuierliche Therapie mit 3mg und 12mg CSA reduzierte die MVO signifikant, verglichen mit der Kontrollgruppe (p<0,05). Der Vergleich beider Dosisgruppen untereinander zeigte keine signifikanten Unterschiede. Das Absetzen der CSA-Therapie führte sowohl bei der Inzidenz als auch bei der MVO nach 80 Tagen zum Erreichen von Werten, die gegenüber der Kontrollgruppe nicht signifikant abwichen. Schlussfolgerung: Trotz der exzessiv höheren CSA-Blutspiegel der Hochdosigruppe im Vergleich zur Niedrigdosisgruppe konnte keine Schweregraderhöhung der TVP im Vergleich zur Niedrigdosigruppe festgestellt werden. Somit war CSA in diesen tierexperimentellen Ansatz nicht für die Entstehung der TVP verantwortlich.
The dentate gyrus (DG) is a unique structure of the hippocampus that is distinguished by ongoing neurogenesis throughout the lifetime of an organism. The development of the DG, which begins during late gestation and continues during the postnatal period, comprises the structural formation of the DG as well as the establishment of the adult neurogenic niche in the subgranular zone (SGZ). We investigated the time course of postnatal maturation of the DG in male C57BL/6J mice and male Sprague-Dawley rats based on the distribution patterns of the immature neuronal marker doublecortin (DCX) and a marker for mature neurons, calbindin (CB). Our findings demonstrate that the postnatal DG is marked by a substantial maturation with a high number of DCX-positive granule cells (GCs) during the first two postnatal weeks followed by a progression toward more mature patterns and increasing numbers of CB-positive GCs within the subsequent 2 weeks. The most substantial shift in maturation of the GC population took place between P7 and P14 in both mice and rats, when young, immature DCX-positive GCs became confined to the innermost part of the GC layer (GCL), indicative of the formation of the SGZ. These results suggest that the first month of postnatal development represents an important transition phase during which DG neurogenesis and the maturation course of the GC population becomes analogous to the process of adult neurogenesis. Therefore, the postnatal DG could serve as an attractive model for studying a growing and functionally maturing neural network. Direct comparisons between mice and rats revealed that the transition from immature DCX-positive to mature CB-positive GCs occurs more rapidly in the rat by approximately 4–6 days. The remarkable species difference in the speed of maturation on the GC population level may have important implications for developmental and neurogenesis research in different rodent species and strains.
Continuous blood glucose monitoring reveals enormous circadian variations in pregnant diabetic rats
(2018)
Aim: Diabetes in pregnancy is a major burden with acute and long-term consequences. Its treatment requires adequate diagnosis and monitoring of therapy. Many experimental research on diabetes during pregnancy has been performed in rats. Recently, continuous blood glucose monitoring of non-pregnant diabetic rats revealed an increased circadian variability of blood glucose that made a single blood glucose measurement per day inappropriate to reflect glycemic status. Continuous blood glucose measurement has never been performed in pregnant rats. We wanted to perform continuous blood glucose monitoring in pregnant rats to decipher the influence of pregnancy on blood glucose in diabetic and normoglycemic status.
Methods: We used the transgenic Tet29 diabetes rat model with an inducible knock down of the insulin receptor via RNA interference upon application of doxycycline (DOX) leading to insulin resistant type II diabetes. All Tet29 rats received a HD-XG telemetry implant (Data Sciences International, USA) that measured blood glucose and activity continuously. Rats were divided into four groups and blood glucose was monitored until end of pregnancy or the corresponding period: Tet29 + DOX (diabetic) non-pregnant, Tet29 + DOX (diabetic) pregnant, Tet29 (normoglycemic) non-pregnant, Tet29 (normoglycemic) pregnant.
Results: All analyzed rats displayed a circadian variation in blood glucose concentration. Circadian variability was much more pronounced in pregnant diabetic rats than in normoglycemic pregnant rats. Pregnancy ameliorated variation in blood glucose in diabetic situation. Pregnancy continuously decreased blood glucose during normoglycemic pregnancy. Diabetic rats were less active than normoglycemic rats. We performed a calculation showing that application of continuous blood glucose measurement reduces animal numbers needed to detect a given effect in experimental setting by decreasing variability and SD.
Interpretation: Continuous blood glucose monitoring via a telemetry device in pregnant rats provides a more informative picture of the glycemic situation in comparison to single measurements. This could improve diagnosis and therapy of diabetes, decrease animal numbers within experimental settings, and add another physiological parameter (activity) to the analysis that could be helpful in testing therapeutic concepts targeting blood glucose levels and peripheral muscle function. We propose continuous glucose monitoring as a new tool for the evaluation of pregnant diabetic rats.