Ischemic Tolerance and Cell Signaling in the Rat Brain

Abstract

A brief period of sublethal ischemia in the brain induces resistance to a subsequent, otherwise lethal ischemic insult. This phenomenon is known as ischemic tolerance or preconditioning. A model of ischemic preconditioning in the rat brain using the two-vessel occlusion model of global cerebral ischemia was established. Using this model we have demonstrated that ischemic preconditioning protects the brain against a subsequent ischemic insult that normally causes neuronal damage. It is hypothesized that normal cell signaling during reperfusion following the insult is disrupted and thus contributes to cell death. From this hypothesis, we examined changes in protein tyrosine phosphorylation (Ptyr), protein kinase C (PKC), calcium calmodulin kinase II (CaMKII), and the extracellular regulated protein kinase (ERK) signal transduction pathways in the rat hippocampus after both the brief sublethal preconditioning ischemia and the subsequent ischemic insult. We found that tyrosine phosphorylation that increased persistently in the reperfusion phase after a lethal ischemic insult eventually normalized to control levels in the preconditioned brains within one day of reperfusion. The CaMKII-a translocated to the cell membranes and become autophosphorylated at threonine 286 during and after the lethal ischemic insult. Theses changes were persistent throughout reperfusion in the nonconditioned brains and returned to control levels in the preconditioned brains within one day of reperfusion. Protein kinase Cg, which translocated to the cell membranes during and after the lethal ischemic insults was rapidly down-regulated in the preconditioned brains during the second ischemic insult. Also, more calpain degradation products were found in preconditioned brains at the end of the second ischemic insult, which indicated that the preconditioning activated the calpain proteolysis system. Furthermore, we found that the ERK and ERK kinase (MEK), two central kinases in the extracellular regulated protein kinase cascade, became phosphorylated after short sublethal preconditioning. We conclude that the neuroprotection achieved by ischemic preconditioning was a combination effect of several mechanisms. An up-regulation of the neuroprotective signaling pathways (ERK) prior to a second ischemic insult, plus a suppression of the detrimental signaling pathways (PKC, CaMKII, Ptyr) after the second ischemic insult. In addition a change in the cell structure or function may contribute to this remarkable neuroprotection.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cellulära mekanismer vid ischemisk tolerans Stroke, hjärntrauma, hjärnblödning och övergående hjärtstillestånd, leder till minskat blodflöde till hjärnan (ischemi) och orsakar hjärnskador. Mot denna skadeutveckling finns ännu inte något medel för kliniskt bruk. I djurexperimentella ischemimodeller har man kunnat skydda hjärnan mot ischemiska skador genom att utsätta hjärnan för en kort period av ischemi (3 minuter, som i sig inte är skadligt för hjärnan) 2-7 dagar före en skadlig ischemisk insult. Detta fenomen kallas ischemisk tolerans och fenomenet har tidigare påvisats i hjärta. Man har också visat att en kort, icke skadlig, cerebral ischemi leder till en bildning av viktiga skyddande proteiner såsom tillväxtfaktorn BDNF, fria radikal hämmaren SOD och Bcl-2. Man har också visat att proteinsyntesen som annars är allmänt hämmad efter en skadligt ischemi, återhämtar sig fortare i den toleranta hjärnan.



Cerebral ischemi leder till en markant förändring i cellulär signalering, med bl.a. en överföring, translokering, av proteinkinaserna PKC och CaMKII från cytosol till plasmamembran under ischemi perioden, och till en hyperfosforylering av membranproteiner, bl.a. en ökad tyrosinfosforylering av NR2 subenheten, vilken modulerar NMDA-receptorns kalciumjonpermeabilitet. Translokeringen av PKC och CaMKII samt hyperfosforylering av NR2 är mindre uttalad och reversibel i de resistenta cellerna (hippocampus CA3-region och gyrus dentatus), medan den kvarstår och ökar i den ytterst skadekänsliga CA1-regionen av hippocampus.



Avhandlingens målsättning har varit att utveckla en råttmodell för ischemisk tolerans och därefter studera cellulära och molekylära mekanismer som skapar protektion mot ischemiska hjärnskador. Studierna har fokuserats kring betydelsen av en förändrad cellulär signaltransduktion for utveckling av neuroprotektion. Resultaten visar tydligt att en kort icke skadligt ischemi leder till tolerans i hjärnan mot längre perioder av ischemi som inträffar två till sju dagar senare. Tyrosinfosforyleringen av glutamatreceptorn (NMDA-receptorn) och andra membranproteiner som kontinuerligt ökar i efterloppet efter en skadlig cerebral ischemi, normaliseras inom ett dygn i den toleranta hjärnan (delarbete I). Vi har också visat att ERK and MEK, signal-proteinerna som bl.a. reglerar aktivering av gener, phosphoryleras/aktiveras efter en kort ischemi, och kan delta i toleransutvecklingen i hjärnan (delarbete II). I delarbete III har vi tydligt visat att PKCg translokering till synpatosom-membranen, som länge har misstänkts vara inblandad i utvecklingen av skador efter ischemi, minskar hos de toleranta nervcellerna, förmodligen genom att PKC degraderas. I delarbete IV visas att dessa neuron med mindre mängd PKCg, har en ökad aktivitet av proteaset kalpain jämfört med de icke toleranta nervcellerna. I delarbete V visas att CaMKII-a translokeras till synaptosom-membranenet där den fosforyleras under och efter en skadligt ischemi. Dessa förändringar normaliseras och nedregleras dock inom ett dygn i den toleranta hjärnan. Resultaten tyder på att skyddsmekanismen i den toleranta hjärnan, kan orsakas av ett samspel mellan uppreglering av skyddande processer, en hämning av skadliga mekanismer, och strukturella förändringar av synapser och dendriter. Dessa skyddsmekanismer kan tillsammans bidra till en kraftfull skyddande effekt mot ischemi. Mekanismen för detta skydd är komplex men dess kartläggning kan på sikt leda till en bättre förståelse av nervcellernas inbyggda skyddsmekanismer och en utveckling av nya behandlingsmetoder mot bland annat stroke.

• author: Shamloo, Mehrdad
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Zimmer, Jens, Odense University, Winslowsparken 19 DK-5000 Odense, Danmark
• organization: Wallenberg Neuroscience Centre, Lund
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: preconditioning, cell death, tyrosine phosphorylation, tolerance, ERK, Calpain, CaMKII, PKC, protection, Brain, ischemia, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 150 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum, Lund
• defense date: 1999-10-01 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEXB-1021-se
• ISBN: 91-628-3715-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Experimental Brain Research (0131000120)
• id: c845e694-7cf6-423b-ae45-e68b709cd375 (old id 39860)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:14:14
• date last changed: 2018-11-21 21:09:48