In recent years, the distribution of dopamine receptor subtypes among the principal neurons of the neostriatum has been the subject of debate. Conventional anatomical and physiological approaches have yielded starkly different estimates of the extent to which D1 and D2 class dopamine receptors are colocalized. One plausible explanation for the discrepancy is that some dopamine receptors are present in physiologically significant numbers, but the mRNA for these receptors is not detectable with conventional techniques. To test this hypothesis, we examined the expression of DA receptors in individual neostriatal neurons by patch-clamp and RT-PCR techniques. Because of the strong correlation between peptide expression and projection site, medium spiny neurons were divided into three groups on the basis of expression of mRNA for enkephalin (ENK) and substance P (SP). Neurons expressing detectable levels of SP but not ENK had abundant mRNA for the D1a receptor. A subset of these cells (approximately 50%) coexpressed D3 or D4 receptor mRNA. Neurons expressing detectable levels of ENK but not SP had abundant mRNA for D2 receptor isoforms (short and long). A subset (10-25%) of these neurons coexpressed D1a or D1b mRNAs. Neurons coexpressing ENK and SP mRNAs consistently coexpressed D1a and D2 mRNAs in relatively high abundance. Functional analysis of neurons expressing lower abundance mRNAs revealed clear physiological consequences that could be attributed to these receptors. These results suggest that, although colocalization of D1a and D2 receptors is limited, functional D1 and D2 class receptors are colocalized in nearly one-half of all medium spiny projection neurons.

Summary

 Chronic stress could trigger maladaptive changes associated with stress-related mental disorders; however, the underlying mechanisms remain elusive. In this study, we found that exposing juvenile male rats to repeated stress significantly impaired the temporal order recognition memory, a cognitive process controlled by the prefrontal cortex (PFC). Concomitantly, significantly reduced AMPAR- and NMDAR-mediated synaptic transmission and glutamate receptor expression were found in PFC pyramidal neurons from repeatedly stressed animals. All these effects relied on activation of glucocorticoid receptors and the subsequent enhancement of ubiquitin/proteasome-mediated degradation of GluR1 and NR1 subunits, which was controlled by the E3 ubiquitin ligase Nedd4-1 and Fbx2, respectively. Inhibition of proteasomes or knockdown of Nedd4-1 and Fbx2 in PFC prevented the loss of glutamatergic responses and recognition memory in stressed animals. Our results suggest that repeated stress dampens PFC glutamatergic transmission by facilitating glutamate receptor turnover, which causes the detrimental effect on PFC-dependent cognitive processes.

The prefrontal cortex (PFC), a key brain region controlling cognition and emotion, is strongly influenced by stress. While chronic stress often produces detrimental effects on these measures, acute stress has been shown to enhance learning and memory, predominantly through the action of corticosteroid stress hormones. We used a combination of electrophysiological, biochemical, and behavioral approaches in an effort to identify the cellular targets of acute stress. We found that behavioral stressors in vivo cause a long-lasting potentiation of NMDAR- and AMPAR-mediated synaptic currents via glucocorticoid receptors (GRs) selectively in PFC pyramidal neurons. This effect is accompanied by increased surface expression of NMDAR and AMPAR subunits in acutely stressed animals. Furthermore, behavioral tests indicate that working memory, a key function relying on recurrent excitation within networks of PFC neurons, is enhanced by acute stress via a GR-dependent mechanism. These results have identified a form of long-term potentiation of synaptic transmission induced by natural stimuli in vivo, providing a potential molecular and cellular mechanism for the beneficial effects of acute stress on cognitive processes subserved by PFC.

The number of dendritic spines is reduced in the postmortem brains of individuals with schizophrenia. Revealing a potential mechanism of such change, this study finds that the schizophrenia-associated protein DISC1 regulates the Rho GTPase pathway to modulate dendritic spine size. Synaptic spines are dynamic structures that regulate neuronal responsiveness and plasticity. We examined the role of the schizophrenia risk factor DISC1 in the maintenance of spine morphology and function. We found that DISC1 anchored Kalirin-7 (Kal-7), regulating access of Kal-7 to Rac1 and controlling the duration and intensity of Rac1 activation in response to NMDA receptor activation in both cortical cultures and rat brain in vivo. These results explain why Rac1 and its activator (Kal-7) serve as important mediators of spine enlargement and why constitutive Rac1 activation decreases spine size. This mechanism likely underlies disturbances in glutamatergic neurotransmission that have been frequently reported in schizophrenia that can lead to alteration of dendritic spines with consequential major pathological changes in brain function. Furthermore, the concept of a signalosome involving disease-associated factors, such as DISC1 and glutamate, may well contribute to the multifactorial and polygenetic characteristics of schizophrenia.

Abstract N-terminal methylation is an important post-translational modification that regulates protein/DNA interactions and plays a role in many cellular processes, including DNA damage repair, mitosis, and transcriptional regulation. Our generation of a constitutive knockout mouse for the N-terminal methyltransferase NRMT1, demonstrated its loss results in severe developmental abnormalities and premature aging. As premature aging is often accompanied by neurodegeneration, we more specifically examined how NRMT1 loss affects neural pathology and cognitive behaviors. Here we find that Nrmt1 -/- mice exhibit postnatal enlargement of the lateral ventricles, age-dependent striatal and hippocampal neurodegeneration, memory impairments, and hyperactivity. These morphological and behavior abnormalities are preceded by alterations in neural stem cell (NSC) development. Depletion of quiescent NSC pools in Nrmt1 -/- mice is concurrent with expansion of intermediate progenitor and neuroblast pools. These phenotypes are similar to those seen with loss of the NRMT1 target retinoblastoma protein (RB), and we see that NRMT1 loss leads to derepression of RB target genes and abnormal RB phosphorylation and degradation. As also seen with RB loss, neurons in Nrmt1 -/- mice fail to exit cell cycle and ultimately undergo NOXA-mediated apoptosis, indicating that early misregulation of RB in Nrmt1 -/- mice promotes premature NSC proliferation and contributes to subsequent neurodegenerative phenotypes.

Abstract Small artery vasodilation in response to hypoxia is essential for matching oxygen supply to tissue oxygen demand. One source of hypoxic dilation via nitric oxide (NO) signaling is nitrite reduction by erythrocytic hemoglobin (α2β2). However, the alpha subunit of hemoglobin is also expressed in resistance artery endothelium and localized to myoendothelial junctions, a subcellular domain that contacts underlying vascular smooth muscle cells. We hypothesized that nitrite reduction mediated by endothelial alpha globin may occur at myoendothelial junctions to regulate hypoxic vasodilation. To test this concept, we created two novel mouse strains: one lacking alpha globin specifically in endothelium (EC Hba1 Δ/Δ ) and one where alpha globin is mutated such that its inhibitory association with endothelial NO synthase (eNOS) is prevented ( Hba1 WT/Δ36-39 ). In EC Hba1 Δ/Δ or Hba1 WT/Δ36-39 mice hemoglobin levels, hematocrit and erythrocyte counts were unchanged from littermate controls. Loss of the full alpha globin protein from the endothelium in the EC Hba1 Δ/Δ model was associated with decreased exercise capacity and decreased intracellular nitrite utilization in hypoxic conditions. These effects were not seen in Hba1 WT/Δ36-39 animals. Hypoxia induced vasodilation was decreased by 60% in isolated thoracodorsal arteries from EC Hba1 Δ/Δ , while infusion of erythrocytes only partially rescued the dilatory response. Lastly, unlike other models where blood pressure is decreased, EC Hba1 Δ/Δ blood pressure was not altered in response to hypoxia. Overall, we conclude that alpha globin in the resistance artery endothelium can act as a nitrite reductase to provide a local vasodilatory response to hypoxia.