Abstract

 Glutamate binds to both excitatory neurotransmitter binding sites and a Cl⁻-dependent, quisqualate- and cystine-inhibited transport site on brain neurons. The neuroblastoma-primary retina hybrid cells (N18-RE105) are susceptible to glutamate-induced cytotoxicity. The Cl⁻-dependent transport site to which glutamate and quisqualate (but not kainate or NMDA) bind has a higher affinity for cystine than for glutamate. Lowering cystine concentrations in the cell culture medium results in cytotoxicity similar to that induced by glutamate addition in its morphology, kinetics, and Ca²⁺ dependence. Glutamate-induced cytotoxicity is directly proportional to its ability to inhibit cystine uptake. Exposure to glutamate (or lowered cystine) causes a decrease in glutathione levels and an accumulation of intracellular peroxides. Like N18-RE-105 cells, primary rat hippocampal neurons (but not glia) in culture degenerate in medium with lowered cystine concentration. Thus, glutamate-induced cytotoxicity in N18-RE-105 cells is due to inhibition of cystine uptake, resulting in lowered glutathione levels leading to oxidative stress and cell death.

Astrocytes have a higher antioxidant potential in comparison to neurons. Pathways associated with this selective advantage include the transcriptional regulation of antioxidant enzymes via the action of the Cap'n'Collar transcription factor Nrf2 at the antioxidant response element (ARE). Here we show that Nrf2 overexpression can reengineer neurons to express this glial pathway and enhance antioxidant gene expression. However, Nrf2-mediated protection from oxidative stress is conferred primarily by glia in mixed cultures. The antioxidant properties of Nrf2-overexpressing glia are more pronounced than those of neurons, and a relatively small number of these glia (< 1% of total cell number added) could protect fully cocultured naive neurons from oxidative glutamate toxicity associated with glutathione (GSH) depletion. Microarray and biochemical analyses indicate a coordinated upregulation of enzymes involved in GSH biosynthesis (xCT cystine antiporter, gamma-glutamylcysteine synthetase, and GSH synthase), use (glutathione S-transferase and glutathione reductase), and export (multidrug resistance protein 1) with Nrf2 overexpression, leading to an increase in both media and intracellular GSH. Selective inhibition of glial GSH synthesis and the supplementation of media GSH indicated that an Nrf2-dependent increase in glial GSH synthesis was both necessary and sufficient for the protection of neurons, respectively. Neuroprotection was not limited to overexpression of Nrf2, because activation of endogenous glial Nrf2 by the small molecule ARE inducer, tert-butylhydroquinone, also protected against oxidative glutamate toxicity.

Abstract: Glutamate‐induced glutathione depletion in immature embryonic cortical neurons has been shown to lead to oxidative stress and cell death. We have used this in vitro model to investigate the mechanism(s) by which free radicals induce neuronal degeneration. We find that glutathione depletion leads to hypercondensation and fragmentation of chromatin into spherical or irregular shapes, a morphologic signature of apoptosis. These morphologic changes are accompanied by laddering of DNA into multiple oligonucleosomal fragments and can be prevented by the antioxidants idebenone and butylated hydroxyanisole. Cell death induced by glutathione depletion can also be prevented by inhibitors of macromolecular synthesis. Taken together, these observations suggest that oxidative stress can induce apoptosis in neurons.

N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) excitotoxicity is implicated in the pathogenesis of Huntington's disease (HD), a late-onset neurodegenerative disorder. However, NMDARs are poor therapeutic targets, due to their essential physiological role. Recent studies demonstrate that synaptic NMDAR transmission drives neuroprotective gene transcription, whereas extrasynaptic NMDAR activation promotes cell death. We report specifically increased extrasynaptic NMDAR expression, current, and associated reductions in nuclear CREB activation in HD mouse striatum. The changes are observed in the absence of dendritic morphological alterations, before and after phenotype onset, correlate with mutation severity, and require caspase-6 cleavage of mutant huntingtin. Moreover, pharmacological block of extrasynaptic NMDARs with memantine reversed signaling and motor learning deficits. Our data demonstrate elevated extrasynaptic NMDAR activity in an animal model of neurodegenerative disease. We provide a candidate mechanism linking several pathways previously implicated in HD pathogenesis and demonstrate successful early therapeutic intervention in mice.

NMDA receptors (NMDARs) are highly calcium-permeable and are negatively regulated by intracellular calcium during prolonged exposure to agonist. We have investigated whether calcium-mediated feedback occurs during transient exposure to glutamate during single synaptic events. Examination of miniature EPSCs (mEPSCs) indicated that the decay kinetics of the NMDAR component was markedly slowed by the intracellular perfusion of exogenous calcium buffers (BAPTA or Fluo-3). In contrast, the AMPA receptor component of the miniature EPSC was unaffected. Slow on-rate calcium buffers, such as EGTA, did not alter kinetics of the NMDAR component of the mEPSC. Addition of exogenous fast calcium buffers did not slow the decay kinetics of glutamate-evoked currents mediated by NR1/NR2A heteromers expressed in HEK 293 cells, suggesting that the effect we observed in neurons may be specific to processes associated with synaptically activated receptors. Trial-to-trial amplitude variability of miniature calcium transients mediated by NMDARs increased with the injection of exogenous calcium buffers, suggesting that the amplitude of synaptic calcium transients are maintained at a rather constant level by a calcium-mediated feedback mechanism.

Although L-type voltage-sensitive calcium channels (VSCCs) have been well characterized electrophysiologically, their role in synaptic physiology has remained unclear. To assess their involvement in synaptic regulation of gene expression, we have examined the effects of selective VSCC antagonists on basal, synaptically mediated activation of several transcription factor genes in cultured cortical neurons. Basal expression of c-fos, jun-B, zif268, and fos-B is rapidly suppressed by exposure to L-type VSCC antagonists and increased by (-)BayK-8644, a VSCC agonist. Although VSCC antagonists block kainate-induced rises in intracellular calcium and gene expression, these agents have little effect on spontaneous electrical activity or synaptically induced calcium transients in these neurons. These findings suggest that even though L-type VSCCs contribute a relatively minor component of synaptic calcium transients, they appear to play a key role in coupling synaptic excitation to activation of transcriptional events thought to contribute to neuronal plasticity.

Using the N18-RE-105 neuroblastoma X retina cell line, we previously described Ca2(+)-dependent quisqualate-type glutamate toxicity caused by the inhibition of high-affinity cystine uptake, leading to glutathione depletion and accumulation of cellular oxidants. We now demonstrate that primary cultures of rat cortical neurons (E17; 24-72 h in culture), but not glia, also degenerate when exposed to culture medium with reduced cystine or containing competitive inhibitors of cystine uptake, including glutamate. At this developmental stage, neurotoxicity did not occur as a consequence of continuous exposure to glutamate receptor subtype agonists, N-methyl-D-aspartate, kainate, or 2(RS)-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate. However, those that inhibited neuronal cystine uptake--quisqualate, glutamate, homocysteate, beta-N-oxalyl-L-alpha,beta-diaminopropionic acid, and ibotenate--were neurotoxic. Toxicity related to quisqualate did not correlate with the development of quisqualate-stimulated phosphatidylinositol turnover. The toxic potencies of glutamate, quisqualate, and homocysteate were inversely proportional to the concentration of cystine in the medium, suggesting that they competitively inhibit cystine uptake. Autoradiographic analysis of the cellular localization of L-[35S]cystine uptake indicated that embryonic neurons have a high-affinity transport system that is sensitive to quisqualate, whereas non-neuronal cells in the same cultures have a low-affinity system that is insensitive to quisqualate but potently blocked by D-aspartate and glutamate. Exposure to glutamate or homocysteate resulted in a time-dependent depletion of the cellular antioxidant glutathione. The centrally acting antioxidant idebenone and alpha-tocopherol completely blocked the neurotoxicity resulting from glutamate exposure. We propose that competitive inhibition of cystine transport and reduction of extracellular cystine levels result in neuronal cell death due to accumulation of cellular oxidants.

The transcription factor nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) coordinates expression of genes required for free radical scavenging, detoxification of xenobiotics, and maintenance of redox potential. Previously, activation of this pleiotropic response was neuroprotective in cell culture models that simulate components of stroke damage. However, the role of Nrf2 in limiting stroke damage in vivo remained unclear. We report that Nrf2 activation protects the brain from cerebral ischemia in vivo . Acute (1-3 d) intracerebroventricular or intraperitoneal pretreatment with tert -butylhydroquinone (tBHQ), an Nrf2 activity inducer, reduced cortical damage and sensorimotor deficit at 24 h and even 1 month after ischemia-reperfusion in rats. Cortical glutathione levels robustly increased with tBHQ administration to rats and Nrf2-expressing mice, but not Nrf2 -/- mice. Basal and inducible activities of antioxidant/detoxification enzymes in Nrf2 -/- mice were reduced when compared with Nrf2 +/+ controls. Interestingly, larger infarcts were observed in Nrf2 -/- mice at 7 d after stroke, but not at 24 h, suggesting that Nrf2 may play a role in shaping the penumbra well after the onset of ischemia. Neuronal death caused by a “penumbral” model of stroke, using intracortical endothelin-1 microinjection, was attenuated by tBHQ administration to Nrf2 +/+ , but not to Nrf2 -/- mice, confirming the Nrf2-specific action of tBHQ in vivo . We conclude that Nrf2 plays a role in modulating ischemic injury in vivo . Accordingly, Nrf2 activation by small molecule inducers may be a practical preventative treatment for stroke-prone patients.

Using voltage sensitive–dye imaging in the cortices of anesthetized and awake mice, the authors show that spontaneous activity patterns contain similar motifs as those evoked by sensory stimulation. These motifs are also seen after optogenetic activation of the cortex, and they correlate with structural connectivity. Using millisecond-timescale voltage-sensitive dye imaging in lightly anesthetized or awake adult mice, we show that a palette of sensory-evoked and hemisphere-wide activity motifs are represented in spontaneous activity. These motifs can reflect multiple modes of sensory processing, including vision, audition and touch. We found similar cortical networks with direct cortical activation using channelrhodopsin-2. Regional analysis of activity spread indicated modality-specific sources, such as primary sensory areas, a common posterior-medial cortical sink where sensory activity was extinguished within the parietal association area and a secondary anterior medial sink within the cingulate and secondary motor cortices for visual stimuli. Correlation analysis between functional circuits and intracortical axonal projections indicated a common framework corresponding to long-range monosynaptic connections between cortical regions. Maps of intracortical monosynaptic structural connections predicted hemisphere-wide patterns of spontaneous and sensory-evoked depolarization. We suggest that an intracortical monosynaptic connectome shapes the ebb and flow of spontaneous cortical activity.

Recovery of function after stroke is thought to be dependent on the reorganization of adjacent, surviving areas of the brain. Macroscopic imaging studies (functional magnetic resonance imaging, optical imaging) have shown that peri-infarct regions adopt new functional roles to compensate for damage caused by stroke. To better understand the process by which these regions reorganize, we used in vivo two-photon imaging to examine changes in dendritic and vascular structure in cortical regions recovering from stroke. In adult control mice, dendritic arbors were relatively stable with very low levels of spine turnover (<0.5% turnover over 6 h). After stroke, however, the organization of dendritic arbors in peri-infarct cortex was fundamentally altered with both apical dendrites and blood vessels radiating in parallel from the lesion. On a finer scale, peri-infarct dendrites were exceptionally plastic, manifested by a dramatic increase in the rate of spine formation that was maximal at 1-2 weeks (5-8-fold increase), and still evident 6 weeks after stroke. These changes were selective given that turnover rates were not significantly altered in ipsilateral cortical regions more distant to the lesion (>1.5 mm). These data provide a structural framework for understanding functional and behavioral changes that accompany brain injury and suggest new targets that could be exploited by future therapies to rebuild and rewire neuronal circuits lost to stroke.