Altered expression of GABA-A receptor subunits in the hippocampus of PTZ-kindled rats

Altered expression of GABA-A receptor subunits in the hippocampus of PTZ-kindled rats

Accepted Manuscript Title: Altered expression of GABA-A receptor subunits in the hippocampus of PTZ-kindled rats Authors: Janusz Szyndler, Piotr Macie...

566KB Sizes 1 Downloads 115 Views

Accepted Manuscript Title: Altered expression of GABA-A receptor subunits in the hippocampus of PTZ-kindled rats Authors: Janusz Szyndler, Piotr Maciejak, Karolina Kołosowska, Natalia Chmielewska, Anna Sk´orzewska, Patrycja Daszczuk, Adam Pła´znik PII: DOI: Reference:

S1734-1140(17)30312-2 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.pharep.2017.07.008 PHAREP 761

To appear in: Received date: Revised date: Accepted date:

28-4-2017 30-6-2017 12-7-2017

Please cite this article as: Janusz Szyndler, Piotr Maciejak, Karolina Kołosowska, Natalia Chmielewska, Anna Sk´orzewska, Patrycja Daszczuk, Adam Pła´znik, Altered expression of GABA-A receptor subunits in the hippocampus of PTZ-kindled rats (2010), http://dx.doi.org/10.1016/j.pharep.2017.07.008 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Altered expression of GABA‐A receptor subunits in the hippocampus of PTZ‐kindled rats.     Janusz Szyndlera,#, Piotr Maciejaka,b, Karolina Kołosowskab, Natalia Chmielewskab, Anna Skórzewskab,  Patrycja Daszczukc, Adam Płaźnika,b      a 

‐  Department  of  Experimental  and  Clinical  Pharmacology,  Centre  for  Preclinical  Research  and 

Technology CePT, Medical University of Warsaw, Banacha 1B, 02‐097 Warsaw, Poland  b 

‐  Department  of  Neurochemistry,  Institute  of  Psychiatry  and  Neurology,  Warsaw  02‐957,  9 

Sobieskiego Street, Poland  c 

‐  Laboratory  of  Stem  Cells,  Tissue  Development  and  Regeneration,  Centre  of  New  Technologies 

University of Warsaw, S. Banacha 2c, 02‐097 Warsaw  # 

‐  Corresponding  author  at:  Department  of  Experimental  and  Clinical  Pharmacology,  Centre  for 

Preclinical  Research  and  Technology  CePT,  Medical  University  of  Warsaw,  Banacha  1B,  02‐097  Warsaw, Poland.   E‐mail address: [email protected] (J.Szyndler), tel: 48 22 45 82 775,                     Acknowledgments:  This  study  was  supported  by  Grant  No.  2014/13/B/NZ7/02277  from  the  National  Science  Centre,  Poland.   Project  implemented  with  CePT  infrastructure  financed  by  the  European  Union—The  European  Regional Development Fund within the operational program ‘‘Innovative economy’’ for 2007–2013.  The authors express their sincere gratitude to A. Biegaj for her excellent technical support.             

Highlights:  1. The PTZ kindling changed the expression of GABA‐A receptor subunits.  2. In the kindled animals, the expression of α1 and γ2 subunits was increased in the hippocampus.  3. In the kindled animals, the expression of the δ subunit was reduced in the dentate gyrus.  4. The observed changes in the PTZ kindling model were similar to other models of epilepsy.      Abstract    Background:  Changes  in the  expression of the GABA‐A  receptor subunits involved  in  phasic  and tonic inhibition have been  studied in  a wide spectrum of animal models of epilepsy. However,   there is no exhaustive data regarding the pentylenetetrazole (PTZ) kindling model of epilepsy.  Methods: The aim of our study was to analyse the hippocampal changes in the expression of  GABA‐A receptor subunits involved in phasic (α1, γ2) or tonic (α4 and δ) inhibition in rats subjected  to the PTZ kindling using immunohistochemistry method as well as in animals subjected to a single  injection  of  a  subconvulsive  (30  mg/kg)  or  convulsive  (55  mg/kg)  dose  of  PTZ.  Moreover,  the  expression of GABA transporters (GAT‐1 and GAT‐3) was also assessed.   Results:  In  kindled  animals,  we  observed  an  increase  in  the  expression  of  α1  (in  CA1,  DG  (dentate gyrus) and CA3 regions) and γ2 (CA1 and CA3) subunits as well as in the expression of GAT‐1  (CA1). On the other hand, the expression of the δ subunit in the DG was reduced. The single injection  of PTZ at a dose of 30 mg/kg increased the expression of the α4 subunit in the DG, while at a dose of  55 mg/kg, PTZ increased the expression of the α1 and α4 subunits in the DG and reduced expression  of the γ2 subunit in the CA1 and CA3 regions.   Conclusions:  The  pattern  of  changes  observed  in  our  study  indicates  that  changes  in  tonic  inhibition are involved in abnormal neuronal activity observed in PTZ model of epilepsy.          Key words: seizures, PTZ kindling, GABA‐A receptor subunits, tonic inhibition, rats       Introduction 

2   

One of the most important causes of neuronal hyperexcitability in epilepsy are disturbances  in the equilibrium between inhibitory and excitatory systems. It seems probable that a dysfunction of  the  GABAergic  system,  which  plays  an  important  role  in  inhibiting  neuronal  activity,  may  consequently lower the seizure threshold [1].  For  many  years,  in  studies  of  the  mechanisms  involved  in  epileptogenesis,  scientists  have  focused  on  the  role  of  the  activity  of  the  GABA‐A  receptors  localized  in  the  synaptic  cleft  that  mediate  phasic  inhibition.  That  type  of  inhibition  is  generated  by  the  activation  of  postsynaptic  GABA‐A  receptors  following  an  action  potential  [2].  Nevertheless,  it  seems  that  another  type  of  GABA‐mediated inhibition, called tonic inhibition, may be at least equally important in the regulation  of neuronal activity [3].   The  involvement  of  GABA‐A  receptors  in  phasic  or  tonic  inhibition  is  related  to  their  localization,  which  is  determined  by  the  subunit  composition  of  the  receptors.  The  most  prevalent  subunit  compositions  of  the  GABA‐A  receptors,  accounting  for  approximately  40%  of  all  expressed  GABA‐A receptors in the brain, include the α1, β2 and γ2 subunits [4]. The presence of the γ2 subunit  promotes  the  synaptic  localization  of  GABA‐A  receptors  [5].  It  was  demonstrated  that  GABA‐A  receptors  that  contained  the  γ2  subunit  in  association  with  an  α1,  α2  or  α3  and  with  a  β2  or  β3  subunit represent the main group of the GABA‐A receptors responsible for synaptic, phasic inhibition  [3]. The combination of γ2 subunit with the α4, α5 or α6 subunits constitutes the GABA‐A receptors  that are  localized outside the synapse [6]. The GABA‐A receptors  with  an α4, α5 or α6  subunit are  responsible for tonic inhibition [3]. Nevertheless, the most important subunit of the GABA‐A receptor  responsible  for  tonic  inhibition  is  the  δ  subunit,  which  is  detected  almost  exclusively  in  the  extrasynaptically localized GABA‐A receptors [7].   The  inhibitory  function  of  the  GABA‐A  receptors  is  also  linked  to  the  activity  of  GABA  transporters. There are two main types of those transporters, GAT‐1 and GAT‐3. GAT‐1 is responsible  mainly for the neuronal uptake of GABA, while GAT‐3 provides the glial uptake [8].   Despite  the  fact  that  the  expression  of  the  GABA‐A  subunits  was  extensively  analysed  in  many animal epilepsy models, there is no information regarding the changes in the GABA receptor  subunit  composition  in  the  extensively  explored  chemical  kindling  model  of  epilepsy,  in  which  chronic administration of pentylenetetrazole (PTZ) in subconvulsive dose finally leads to tonic‐clonic  convulsions.  In  this  context,  the  aim  of  our  study  was  to  analyse  changes  in  the  expression  of  subunits that are characteristic for GABA‐A receptors responsible for phasic (α1 and γ2) and tonic (α4  and δ) inhibition as well as changes in the expression of the GABA neuronal (GAT‐1) and glial (GAT‐3)  transporters  in  the  PTZ  kindling  model  of  epilepsy.  Given  the  important  role  of  the  hippocampal  formation in kindling development, we focused on hippocampal structures in our study.   Materials and methods  3   

  Animals  Male  Wistar  rats  weighing  220±20  g  at  the  beginning  of  the  experiments  were  used  in  the  study.  The  animals  were  housed  under  conventional  laboratory  conditions  under  12h  light/dark  cycles, controlled temperature (22°C) and 50% humidity. The rats had free access to food and water.  The  study  was  performed  in  accordance  with  the  European  Communities  Council  Directive  of  24  November 1986 (86/609/EEC) and was approved by the Committee for Animal Care and Use.    Study design  Animals  were  subjected  to  the  standard  kindling  procedure  as  described  below.  The  expression  of  GABA‐A  subunits  involved  in  the  phasic  inhibition  (α1,  γ2),  tonic  inhibition  (α4,  δ)  as  well  as  GABA  transporters  (GAT‐1,  GAT‐3)  was  evaluated  in  the  CA1,  CA3  and  DG  areas  of  the  hippocampus. Considering the expression of δ and α4 within the hippocampal formation is primarily  limited to the DG, we assessed the expression of those subunits in the DG region only [7].  To control the effect of kindling, additional control groups were examined. One group of rats  received  a  single  30  mg/kg  ip  injection  of  PTZ  (the  same  subconvulsive  dose  as  was  used  for  the  kindling procedure) and another group of rats received a single 55 mg/kg ip injection of PTZ (the dose  that induced acute tonic–clonic convulsions).     Kindling procedure  The animals received repeated ip injections of PTZ (Sigma‐Aldrich, Poland) at a subconvulsive  dose  of  30  mg/kg  or  saline  three  times  a  week  (Monday,  Wednesday,  and  Friday).  After  each  PTZ  injection,  the  rats  were  observed  for  30  min.  The  seizure  intensity  was  assessed  according  to  five‐ point  scale  by  Becker:  0  ‐  no  response;  1  ‐  ear  and  facial  twitching;  2  ‐  myoclonic  jerks  without  rearing;  3  ‐  myoclonic  jerks  with  rearing;  4  ‐  clonic–tonic  seizures;  and  5  ‐  generalized  tonic‐clonic  convulsions  with  loss  of  postural  control  [9].  Animals  were  considered  as  fully  kindled  if  they  exhibited  stage  5  of  kindling  in  two  consecutive  trials.  To  assess  the  chronic  changes  in  GABA‐A  subunits and GABA transporter expression, the fully kindled and control animals were sacrificed 48 h  after the last injection of PTZ or saline, respectively. Their brains were then removed, frozen on dry  ice‐chilled 2‐methylbutan and stored at −78°C.    Immunocytochemistry of subunits of the GABA‐A receptor and GABA transporters  The immunocytochemical reaction was performed on slide‐mounted frozen, coronal (16 μm)  brain sections AP(−)3.30 based on the atlas of Paxinos and Watson as described previously [10,11].  Slide‐mounted brain sections were incubated with a rabbit polyclonal antibodies directed against the  4   

α1  GABA‐A  receptor  subunit  (1:550,  Ab33299,  Abcam),  the  α4  GABA‐A  receptor  subunit  (1:650,  Ab73874,  Abcam),  the  γ2  GABA‐A  receptor  subunit  (1:350,  Ab73874,  Abcam),  the  GAT‐1  (1:350,  Ab426,  Abcam),  the  GAT‐3  (1:350,  Ab431,  Abcam)  and  a  mouse  monoclonal  antibody  directed  against the δ GABA‐A receptor subunit (1:650, Ab93619, Abcam) at –4 to –8 °C for 48 h. The positive  immunoreaction  was  visualized  with  3’3‐diaminobenzidine  tetrahydrochloride  chromogen  (0.2  mg/ml)  and  hydrogen  peroxide  (0.003%)  in  Tris  buffer.  In  addition,  in  order  to  assess  neurodegeneration effects, the hippocampal sections were stained with cresyl violet (Fig.7).  The  analyses  of  immunohistochemical  reaction  were  performed  by  light  microscopy  (Olympus  BX‐51,  DP‐70  digital  camera)  with  a  computerized  image  analysis  system  (Olympus  CellSens, Germany). The total  number  of α1‐,  γ2‐,  GAT‐1‐  and  GAT‐3‐positive  immunocytochemical  complexes captured as areas/points with intensified positive reaction was counted automatically and  then verified manually in the CA1, CA3 and DG area of hippocampus and expressed as the number of  immunopositive complexes per mm2. The total number of α4‐ and δ‐positive complexes was counted  in the DG region only because of the restricted distribution of these subunits within the hippocampus  (Fig. 4, 5, 6).    Statistical data  The  differences  in  the  expression  of  the  GABA‐A  receptor  subunits  and  the  GABA  transporters after acute saline or PTZ administration were analysed using a one‐way ANOVA followed  by  Newman‐Keuls  post‐hoc  test.  To  compare  the  differences  between  control  and  fully  kindled  animals, a t‐test was performed. For all experiments, statistical significance was defined  as p<0.05.  The statistical analyses were performed using Stat‐Soft Statistica 10.0 for Windows.    Results    Changes in the expression of the GABA‐A receptor subunits involved in the tonic inhibition (Fig. 1,  Fig. 2).  The  one‐way  ANOVA  demonstrated  a  significant  effect  of  the  acute  PTZ  administration  on  the expression of the α4 subunit of the GABA‐A receptor [F(2,23)=7.078; p<0.01] in the DG. The post‐ hoc Newman‐Keuls test revealed that the α4 subunit expression was significantly higher in the group  of  rats  acutely  administered  with  PTZ  at  a  30  mg/kg  dose  (p<0.01)  as  well  as  in  the  group  that  received PTZ at a 55 mg/kg dose (p<0.05) compared to the control group. There were no significant  differences  in  the  expression  of  δ  subunit  of  the  GABA‐A  receptor  in  the  DG  between  analysed  groups acutely administered with PTZ (Fig. 1A). 

5   

By contrast, the expression of the α4 subunit in the DG in the fully kindled animals did not  differ  from  the  control  rats,  yet  some  tendency  to  increase  its  expression  was  observed  [t=‐1.707,  df=27; p=0.09]. On the other hand, the t‐test revealed decreased expression of δ subunit in the DG of  the fully kindled animals compared to the control group [t=2.582, df=27; p<0.05] (Fig. 1B).    Changes in the expression of GABA‐A receptor subunits involved in the phasic inhibition (Fig. 3, Fig.  4).  The  one‐way  ANOVA  revealed  a  significant  effect  of  the  acute  PTZ  administration  on  the  expression of α1  subunit of the GABA‐A receptor [F(2,23)=9.505; p<0.001] in the DG. The  post‐hoc  Newman‐Keuls test revealed increased expression of α1 subunits in rats treated with PTZ at a single  dose of 55 mg/kg compared to the control group (p<0.01) as well as to the rats treated with PTZ at a  dose of 30 mg/kg (p<0.05). There were no significant differences between groups in the expression  of  α1  subunit  in  the  other  analysed  structures  (CA1  and  CA3).  Similarly,  the  expression  of  the  γ2  subunit  changed  in  response  to  the  single  PTZ  administration.  In  the  one‐way  ANOVA,  significant  differences of  the γ2  expression  among  analysed groups  were  observed  in  the CA1  [F(2,23)=9.062;  p<0.001]  and  the  CA3  [F(2,23)=10.872;  p<0.001]  regions.  The  Newman‐Keuls  post‐hoc  test  showed  that single administration of PTZ at a dose of 55 mg/kg evoked a significant decrease in γ2 subunit  expression  in  the  CA1  (p<0.01)  and  in  the  CA3  (p<0.05)  areas  of  the  hippocampus  compared  to  control group as well as compared to the group treated with PTZ at a dose of 30 mg/kg (p<0.01). No  change of γ2 subunit expression was observed in the DG (Fig. 3A).   The PTZ kindling procedure evoked significant changes in the α1 and γ2 subunit expression in  the hippocampus. The t‐test revealed increased expression of α1 subunits in the fully kindled animals  in the CA1 [t=‐3.196, df=27; p<0.01], in the DG [t=‐3.216, df=27; p<0.01], and in the CA3 [t=‐2.812,  df=27; p<0.01] area of the hippocampus compared to the control group that received an equivalent  number  of  saline  injections.  A  similar  pattern  of  changes  in  the  expression  of  γ2  subunit  was  observed.  The  increase  in  the  expression  of  γ2  subunit  was  observed  in  the  CA1  [t=‐3.868,  df=27;  p<0.01] as well as in the CA3 [t=‐2.400, df=27; p<0.05] region of the hippocampus in the fully kindled  animals  compared  to  the  control  group.  However,  no  change  in  the  γ2  subunit  expression  was  observed in the DG (Fig. 3B).    Changes in the expression of GABA transporters (Fig. 5, Fig. 6).   The expression of GAT‐1 and GAT‐3 did not change in response to the acute administration of  PTZ at both doses (30 mg/kg or 55 mg/kg) in all analysed areas of the hippocampus. In the group of  fully kindled animals a significant change in the expression of GAT‐1 was observed in the CA1 area  [t=‐2.214, df=27; p<0.05] compared to the control group.   6   

Neurodegeneration assessment (Fig. 7)   There were no signs of the neurodegeneration in the analysed hippocampal sections stained  with  cresyl  violet  (Fig.  7).  Normal  arrangement  of  cells  were  seen  in  the  hippocampus  of  the  randomly selected control (n=5) and fully kindled animals (n=5). The t‐test did not reveal significant  changes in the number of cells in the CA1, DG and CA3 regions between fully kindled rats and control  rats  [fully  kindled  vs  control:  CA1  –  561.0  vs  524.4  cells/mm2,  t=‐1.20,  df=8,  p=0.26;  DG  –  989.8  vs  976.6 cells/mm2, t=‐0.12, df=8, p=0.9; CA3 – 437.4 vs 402.8 cells/mm2, t=‐0.91, df=8, p=0.38].     Discussion   The  pathophysiology  of  the  GABA‐ergic  system  is  one  of  the  most  explored  topics  in  the  studies  regarding  epilepsy,  seizures  and  epileptogenesis.  For  many  years,  studies  regarding  GABA‐ ergic  inhibition  have  focused  mainly  on  the  synaptic  GABA‐A  receptors  that  mediate  the  so  called  “phasic inhibition”. However, the other type of inhibition mediated by the GABA‐A receptors, called  “tonic  inhibition”,  seems  to  be  very  important  in  maintaining  a  balance  between  excitatory  and  inhibitory systems.   The  results  of  our  study  indicated  that  in  the  PTZ  kindling  model  of  epilepsy,  seizure  development changed the hippocampal expression of the GABA‐A receptor subunits, including those  involved  in  the  mediation  of  tonic  inhibition.  We  observed  a  20%  decrease  in  expression  of  the  δ  subunit of the GABA‐A receptors which are localized almost entirely at extrasynaptic or perisynaptic  sites (e.g., in the cerebellum or dentate gyrus) and mediate tonic inhibition [3].   The GABA‐A receptors containing the δ subunit are crucial for the mediation of non‐synaptic  inhibition  in  the  dentate  gyrus;  thus,  the  decreased  expression  of  the  δ  subunit  may  suggest  a  decrease in the inhibitory tone and an increase in the neuronal excitability. Moreover, the GABA‐A  receptors containing δ subunits are characterized not only by the extrasynaptic localization but also  by  the  high  affinity  for  GABA  and  a  slow  rate  of  desensitization  [12].  The  deficit  in  the  GABA‐A  receptors  containing  δ  subunits  may  cause  a  condition  in  which  the  physiological  concentration  of  GABA  is  not  sufficient  to  evoke  the  appropriate  inhibitory  response,  consequently  leading  to  the  excessive neuronal activity observed in kindled animals. The reduction of the δ subunit expression in  the  dentate  gyrus  was  also  observed  in  other  preclinical  models  of  epilepsy,  such  as  hippocampal  electrical  kindling,  epilepsy  following  electrically  induced  status  epilepticus,  model  of  status  epilepticus  induced  by  kainic  acid  injections  and  in  pilocarpine‐induced  status  epilepticus  [13,14].  Moreover, a direct association between an abundance of the α4 and δ subunits of GABAA receptors  in  the  hippocampus  and  the  seizures  susceptibility  has  been  proved  in  the  mouse  model  of  perimenstrual catamenial epilepsy [15]. 

7   

It is important to note that we did not observe any changes in the δ subunits expression after  a single subthreshold (30 mg/kg) or convulsive (55 mg/kg) dose of PTZ. This implies that changes in  the  δ  subunit  expression  are  a  consequence  of  kindling  development.  Indeed,  the  results  of  other  studies suggest that a decrease in the δ subunit mRNA level may be observed earlier, even 6 hours  after status epilepticus induced by kainic acid injection, and is still observed after 30 days [16].  The  regulation  of  the  tonic  inhibition  in  the  dentate  gyrus  is  not  only  dependent  on  the  δ  subunit.  It  was  demonstrated  that  the  α4  subunit  accompanies  the  δ  subunit  in  the  GABA‐A  receptors  that  mediate  tonic  inhibition  [5].  Although  a  majority  of  α4  subunits  co‐express  with  δ  subunits,  some  α4  subunits  could  be  found  in  GABA‐A  receptors  with  a  different  subunit  composition, e.g., with a  γ2 subunit  [4,7]. The  functional role of  α4 subunits  in  the  tonic  inhibition  seems  to  be  important.  In  the  knockout  mice  devoid    of  the  α4  subunit,  a  deficiency  of  tonic  inhibition in the dentate granule cells and thalamic relay neurons was observed [3].   In our study, there were no significant changes in the expression of the α4 subunit in the fully  kindled  animals,  but  a  tendency  to  increase  its  expression  was  observed.  On  the  other  hand,  we  found that a single injection of PTZ (at both doses of 30 and 55 mg/kg) evoked a significant increase  in  the  α4  subunit  expression.  This  observation  is  in  line  with  the  results  of  other  studies,  which  reported an increase in α4 mRNA levels in granule cells in the kainate model of epilepsy, in amygdala  kindled rats and in animals in chronic phase after pilocarpine‐induced status epilepticus [14,16]. An  increase  in  the  expression  of  GABA‐A  receptors  containing  the  α4  subunit,  that  possess  a  lower  affinity  for  GABA,  implies  that  maintaining  tonic  inhibition  requires  higher  extracellular  GABA  concentration  [3]. However, that  adaptive  mechanism  is  questionable,  as  in  our previous  study we  demonstrated that in the PTZ‐kindled rats, extracellular GABA level in the hippocampus was reduced  compared to the control animals [17].   Regarding  the  mechanisms  of  kindling‐induced  changes  in  the  GABA‐A  receptor  subunits  composition,  several  transcription  factors  are  known  to  be  activated  by  seizures,  including  brain  derived  neurotrophic  factor  (BDNF),  cAMP  response  element  binding  protein  (CREB),  and  early  growth response factors (Egrs) [18]. It is suggested that these factors may regulate GABA‐A receptor  subunits  genes  expression.  For  example,  it  was  demonstrated  that  BDNF  activation  of  the  TrkB  receptor  leads  to  induction  of  Egr3  synthesis.  Egr3  binds  to  the  Egr  response  element  in  the  promotor region of the GABAARα4 subunit gene and increases in GABA‐A α4 subunit expression [19].  In  our  study,  the  changes  in  the  α4  and  δ  subunit  expression  were  accompanied  by  a  significant increase in γ2 subunit expression in almost all analysed hippocampal structures in the fully  kindled  animals.  In  contrast,  an  acute  injection  of  PTZ  at  a  convulsive  dose  (55  mg/kg)  evoked  a  potent  decrease  in  the  γ2  subunit  expression.  The  γ2  subunits  are  typical  of  synaptically  located  GABA‐A  receptors  that  mediate  phasic  inhibition  [3].  In  previous  studies,  it  has  been  shown  that  8   

epileptic seizures evoked by kainic acid injection may cause rapid internalization of GABA‐A receptors  containing γ2 subunits in hippocampal structures [20]. In the latent phase (30 days after kainic acid  administration),  a  subsequent  increase  in  γ2  subunit  expression  was  observed  [20].  Similarly,  an  increased γ2 subunits labelling was noticed during the chronic phase after pilocarpine‐induced status  epilepticus [14]. Rapid internalization of the GABA‐A receptors containing γ2 subunits is not the only  reaction to the excessive neuronal activity. In the model of kainic acid‐induced status epilepticus, an  initial (24h) pronounced decrease in the expression of γ2 subunit mRNA was demonstrated, followed  by a potent increase in its expression 30 and 90 days after kainic acid injection [13]. In that context, a  rapid  decrease  in  γ2  subunit  expression  in  response  to  seizures  seems  to  be  a  resultant  of  a  fast  internalization of GABA receptors and a transient decrease in its transcription.   The  observed  increase  in  γ2  subunit  expression  in  the  fully  kindled  animals  may  be  an  adaptive reaction to decreased tonic  inhibition, which  is a consequence  of a decrease  in  δ subunit  expression.  It  is  possible  that  overexpressed  γ2  subunits  replace  the  function  of  δ  subunits  in  the  extra‐  and  peri‐synaptically  located GABA‐A  receptors.  On  the  other  hand, the  substitution of  δ  by  the γ2 subunit may not be fully effective because the activation of GABA‐A receptors containing a γ2  subunit needs a much higher GABA level [3].   In our study, we also assessed the expression of α1 subunit, which is the most abundant type  of GABA‐A receptor α subunits [3]. We observed a potent increase in the expression of α1 subunit in  all  analysed  hippocampal  structures  in  the  fully  kindled  animals.  The  expression  of  α1  was  also  increased after an acute convulsive dose of PTZ (55 mg/kg) but was restricted to the dentate gyrus  only. A similar effect was observed in rats after pilocarpine‐induced status epilepticus; however, an  increase  in  α1  subunit  expression  was  limited  to  the  dentate  gyrus  [21].  Similarly,  a  long‐lasting  increase  (after  30  and  90  days)  in  the  level  of  α1  subunit  mRNA  was  observed  after  kainic  acid‐ induced seizures [13]. In the context of our results and data obtained by other authors, an increase in  α1 subunit expression may represent an adaptive mechanism to an excessive neuronal activity.   On the other hand, in clinical studies, in resected brain tissue from patients with refractory  epilepsy  a  significant  decrease  of  α1  subunit  expression  was  observed  [22].  A  reason  for  these  discrepancies  is  not  known,  but  may  be  related  to  the  fact  that  resected  tissue  from  the  epileptic  focus  is  characterized  by  degenerative  lesions.  However,  in  our  model,  we  did  not  observe  any  significant degenerative changes in the hippocampus (Fig. 7).  In our study, we did not observe pronounced changes in the expression of GABA transporters  in  response  to  PTZ  kindling  and  the  acute  PTZ  injection  either.  The  only  significant  increase  in  the  expression of neuronal GABA transporter was observed in the CA1 region in the fully kindled animals  (by 25%). Increased expression of GAT‐1, which is predominantly responsible for the uptake of GABA  after synaptic release (approximately 85% of released GABA is taken up by GAT‐1), may diminish the  9   

GABA level and reduce the amount of GABA that reaches peri‐ and extra‐synaptic GABA‐A receptors  [23]. That sequence of  events may consequently lead to a deficit in GABA  inhibition. Nevertheless,  the  pattern  of  changes  in  the  expression  of  GATs  in  epilepsy  models  is  not  unequivocally  demonstrated. It can be assumed that changes in the expression of GATs are strongly related to the  particular epilepsy model. In the hippocampus of seizure‐sensitive gerbils (SSG), the density of GAT‐1  immunoreactivity decreased 0.5 h after seizures but returned to basal values after 12 h. At the same  time, no changes in GAT‐3 expression were observed [24]. In contrast, other authors demonstrated a  significant increase in the hippocampal GAT‐1 mRNA expression in amygdala kindled rats at 1 and 4 h  after last kindled seizures [25]. All changes in mRNA expression returned to basal levels by 24 h after  the  last  kindled  seizures,  indicating  that  the  increases  in  GABA  transporter  mRNA  seem  to  be  a  transient  response  to  seizure  activity.  In  turn,  in  patients  with  drug‐resistant  TLE  and  hippocampal  sclerosis,  lower  levels  of  GAT‐1  and  GAT‐3  were  observed  in  the  hippocampal  structures,  most  probably due to generally occurring degenerative changes [26]. Nevertheless, the role of GATs in the  regulation  of  neuronal  activity  should  not  be  underestimated.  In  the  mice  lacking  GAT‐1,  a  potent  increase  in  GABAergic  inhibition  was  noticed  [27].  Furthermore,  one  of  the  GAT‐1  antagonists  ‐  tiagabine is used clinically as an antiepileptic drug.     Summary  In  conclusion,  the  pattern  of  changes  in  the  expression  of  particular  GABA‐A  receptor  subunits in the PTZ kindling model is similar to that observed in other models of epilepsy, including  hippocampal  and  amygdala  kindling  as  well  as  in  post–status  epilepticus  epilepsy  models.  The  reduced expression of the δ subunit suggests that deficit in tonic inhibition is one of the important  factors of an increased tendency towards abnormal neuronal activity.   On  the  other  hand,  increases  in expression of  α1 and γ2 subunits most  probably  reflect  an  adaptive  mechanism,  secondary  to  an  increased  neuronal  activity  in  the  course  of  kindling  of  seizures. Thus, our results show the significant relationship between the pattern of receptor changes  and kindling procedure.       Conflict of Interest:   The authors declare that they have no conflict of interest.    Ethical  approval:  All  applicable  international,  national,  and/or  institutional  guidelines  for  the  care  and use of animals were followed.  References  10   

[1] Treiman DM. GABAergic mechanisms in epilepsy. Epilepsia 2001;42(S3):8–12.  [2]  Mozrzymas  JW.  Dynamism  of  GABAA  receptor  activation  shapes  the  ‘personality’  of  inhibitory  synapses. Neuropharmacology 2004;47:945–60.  [3]  Farrant  M,  Nusser  Z.  Variations  on  an  inhibitory  theme:  phasic  and  tonic  activation  of  GABA(A)  receptors. Nat Rev Neurosci 2005;6:215‐29.  [4] Sur C, Farrar SJ, Kerby J, Whiting PJ, Atack JR, McKernan RM. Preferential coassembly of alpha4  and  delta  subunits  of  the  gamma‐aminobutyric  acid  A  receptor  in  rat  thalamus.  Mol  Pharmacol  1999;56:110‐5.  [5] Zhang N, Wei W, Mody I, Houser CR. Altered localization of GABA(A) receptor subunits on dentate  granule cell dendrites influences tonic and phasic inhibition in a mouse model of epilepsy. J Neurosci  2007;27:7520‐31.  [6] Brunig I, Scotti E, Sidler C, Fritschy JM. Intact sorting, targeting, and clustering of γ‐aminobutyric  acid A receptor subtypes in hippocampal neurons in vitro. J Comp Neurol 2002;443:43–55.  [7] Wei W, Zhang N, Peng Z, Houser CR, Mody I. Perisynaptic localization of delta subunit‐containing  GABA(A)  receptors  and  their  activation  by  GABA  spillover  in  the  mouse  dentate  gyrus.  J  Neurosci  2003;23:10650–61.  [8]  Scimemi  A.  Structure,  function,  and  plasticity  of  GABA  transporters.  Front  Cell  Neurosci  2014;8:161.  [9] Becker A, Grecksch G, Rüthrich HL, Pohle W, Marx B, Matthies H. Kindling and its consequences  on learning in rats. Behav Neural Biol 1992;57:37–43.  [10] Lehner M, Taracha E, Skórzewska A, Wisłowska A, Zienowicz M, Maciejak P et al. Sensitivity to  pain and c‐Fos expression in brain structures in rats. Neurosci Lett 2004;370:74‐9.  [11] Paxinos G, Watson C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates 1998;Academic Press,San Diego.  [12]  Haas  KF,  Macdonald  RL.  GABAA  receptor  subunit  gamma2  and  delta  subtypes  confer  unique  kinetic  properties  on  recombinant  GABAA  receptor  currents  in  mouse  fibroblasts.  J  Physiol  1999;514:27‐45.  [13] Drexel M, Kirchmair E, Sperk G. Changes in the expression of GABAA receptor subunit mRNAs in  parahippocampal areas after kainic acid induced seizures. Front Neural Circuits 2013;7:142.   [14] Peng Z, Huang CS, Stell BM, Mody I, Houser CR. Altered expression of the delta subunit of the  GABAA receptor in a mouse model of temporal lobe epilepsy. J Neurosci 2004;24:8629–39.  [15] Reddy DS, Gould J, Gangisetty O. A mouse kindling model of perimenstrual catamenial epilepsy. J  Pharmacol Exp Ther 2012;341:784‐93.  [16] Tsunashima K, Schwarzer C, Kirchmair E, Sieghart W, Sperk G. GABAA receptor subunits in the  rat hippocampus III: altered messenger RNA expression in kainic acid‐induced epilepsy. Neuroscience  1997;80:1019–32.  11   

[17] Szyndler J, Maciejak P, Turzyńska D, Sobolewska A, Lehner M, Taracha E, et al. Changes in the  concentration  of  amino  acids  in  the  hippocampus  of  pentylenetetrazole‐kindled  rats.  Neurosci  Lett  2008;439:245‐9.  [18] Szyndler J, Maciejak P, Wisłowska‐Stanek A, Lehner M, Płaźnik A. Changes  in the  Egr1  and Arc  expression in brain structures of pentylenetetrazole‐kindled rats. Pharmacol Rep 2013;65:368‐78.  [19]  Grabenstatter  HL,  Russek  SJ,  Brooks‐Kayal  AR.  Molecular  pathways  controlling  inhibitory  receptor expression. Epilepsia 2012;53,Suppl 9:71‐8.  [20]  Schwarzer  C,  Tsunashima  K,  Wanzenböck  C,  Fuchs  K,  Sieghart  W,  Sperk  G.  GABA(A)  receptor  subunits in the rat hippocampus II: altered distribution in kainic acid‐induced temporal lobe epilepsy.  Neuroscience 1997;80:1001‐17.  [21]  Raol  YH,  Zhang  G,  Lund  IV,  Porter  BE,  Maronski  MA,  Brooks‐Kayal  AR.  Increased  GABA(A)‐ receptor alpha1‐subunit expression in hippocampal dentate gyrus after early‐life  status epilepticus.  Epilepsia 2006;47:1665‐73.  [22] Talos DM, Sun H, Kosaras B, Joseph A, Folkerth RD, Poduri A et al. Altered inhibition in tuberous  sclerosis and type IIb cortical dysplasia. Ann Neurol 2012;71(4):539‐51.  [23] Conti F, Minelli A, Melone M. GABA transporters in the mammalian cerebral cortex: localization,  development and pathological implications. Brain Res Rev 2004;45:196‐212.  [24] Kang TC, Kim HS, Seo MO, Park SK, Kwon HY, Kang JH, Won MH. The changes in the expressions  of gamma‐aminobutyric acid transporters in the gerbil hippocampal complex following spontaneous  seizure. Neurosci Lett 2001;310(1):29‐32.  [25]  Hirao  T,  Morimoto  K,  Yamamoto  Y,  Watanabe  T,  Sato  H,  Sato  K,  et  al.  Time‐dependent  and  regional  expression  of  GABA  transporter  mRNAs  following  amygdala‐kindled  seizures  in  rats.  Mol  Brain Res 1998;54:49‐55.  [26]  Schijns  O,  Karaca  Ü,  Andrade  P,  de  Nijs  L,  Küsters  B,  Peeters  A,  et  al.  Hippocampal  GABA  transporter distribution  in patients  with  temporal  lobe  epilepsy  and  hippocampal  sclerosis.  J Chem  Neuroanat 2015;68:39‐44.  [27]  Jensen  K,  Chiu  CS,  Sokolova  I,  Lester  HA,  Mody  I.  GABA  transporter‐1  (GAT1)‐deficient  mice:  differential  tonic  activation  of  GABAA  versus  GABAB  receptors  in  the  hippocampus.  J  Neurophysiol  2003;90:2690‐701. 

              12   

Figure captions    Fig.1. Mean number of immunopositive complexes for the δ and α4 subunits per mm2 in acute saline  (n=7) or PTZ administered animals (30mg/kg (n=8) or 55 mg/kg (n=11)) (A) or in the fully kindled (PTZ  kindling)  (n=14)  or  chronic  saline  administered  animals  (n=15)  (B).  The  data  are  presented  as  the  means ±SEM. Statistical significance: *‐ p<0.05, **‐ p<0.01 vs appropriate control group.    Fig.2.  Representative  immunocytochemical  staining  for  α4  (top  panel)  and  δ  (bottom  panel)  GABA  receptor subunits in the dentate gyrus of control (A, C) and fully kindled animals (B, D). Scale bar: A  and C = 500 µm; B and D = 20 µm.    Fig.3.  Mean  number  of  immunopositive  complexes  for  the  α1  and  γ2  subunits  per  mm2  in  acute  saline  (n=7)  or  PTZ  administered  animals  (30mg/kg  (n=8)  or  55  mg/kg  (n=11))  (A)  or  in  the  fully  kindled  (PTZ  kindling)  (n=14)  or  chronic  saline  administered  animals  (n=15)  (B).  The  data  are  presented as the means ±SEM. Statistical significance: *,#‐ p<0.05; **,##‐ p<0.01, *‐ vs appropriate  control group, #‐ vs PTZ 30mg/kg.    Fig.4. Representative immunocytochemical staining for α1 (top panel) and γ2 (bottom panel) GABA  receptor subunits in the dentate gyrus of control (A, C) and fully kindled animals (B, D). Scale bar: A  and C = 500 µm; B and D = 20 µm.    Fig. 5. Mean number of immunopositive complexes for the GAT1 and GAT3 per mm2 in acute saline  (n=7) or PTZ administered animals (30mg/kg (n=8) or 55 mg/kg (n=11)) (A) or in the fully kindled (PTZ  kindling)  (n=14)  or  chronic  saline  administered  animals  (n=15)  (B).  The  data  are  presented  as  the  means ±SEM. Statistical significance: *‐ p<0.05 vs control group.    Fig.6. Representative immunocytochemical staining for GAT‐1 (top panel) and GAT‐3 (bottom panel)  in the dentate gyrus of control (A, C) and fully kindled animals (B, D). Scale bar: A and C = 500 µm; B  and D = 20 µm.    Fig.7.  Neurodegeneration  assessment.  Photographs  showing  cresyl  violet  staining  in  the  hippocampus of control (A‐D) and fully kindled animals (E‐I). Scale bar: A and F = 500 µm; B‐D; G‐I =  20 µm. 

13   

Fig. 1.     A)   GABAR ‐ α4  

1500 1200 900

control

600

PTZ 30 mg/kg PTZ 55 mg/kg

300 0 Dentate gyrus

     

Number of α4 immunopositive  complexes 

Number of δ immunopositive  complexes 

GABAR ‐ δ 1500 1200

**  *

900

control

600

PTZ 30 mg/kg PTZ 55 mg/kg

300 0 Dentate gyrus

 

  B)  

GABAR ‐ α4

1500 1200 900

*  control

600

fully kindled

300 0 Dentate gyrus

     

Number of α4 immunopositive  complexes 

Number of δ immunopositive  complexes 

GABAR ‐ δ   1500 1200 900

control

600

fully kindled

300 0 Dentate gyrus

 

   

Fig. 2.    

     

   

Fig. 3.     A)   GABAR ‐ γ2

#  ** 

1200

Number of γ2 immunopositive  complexes 

Number of α1 immunopositive  complexes 

GABAR ‐ α1  1000 800

control

600

PTZ 30 mg/kg

400

PTZ 55 mg/kg

200 0 CA1

DG

CA3

5000 4000 control

3000 2000 1000

PTZ 30 mg/kg

## **

## *

PTZ 55 mg/kg

0 CA1

     

DG

CA3

 

  B)  

GABAR ‐ γ2

1200 1000

** 

800

**

600 400

** 

control fully kindled

200 0 CA1

DG

CA3

     

Number of γ2 immunopositive  complexes 

Number of α1 immunopositive  complexes 

GABAR ‐ α1  3000 2500 2000

** *

1500

control

1000

fully kindled

500 0 CA1

DG

CA3

 

   

 

Fig. 4.  

   

Fig. 5.    A)   GAT3

4000

Number of GAT3  immunopositive complexes 

Number of GAT1 immunopositive complexes 

GAT1

3000 control 2000

PTZ 30 mg/kg PTZ 55 mg/kg

1000 0 CA1

DG

CA3

5000 4000 3000

control

2000

PTZ 30 mg/kg PTZ 55 mg/kg

1000 0 CA1

     

DG

CA3

 

  B)  

GAT3

4000

Number of GAT3  immunopositive complexes 

Number of GAT1 immunopositive complexes 

GAT1

3000 2000



control fully kindled

1000 0 CA1

DG

CA3

     

5000 4000 3000

control

2000

fully kindled

1000 0 CA1

DG

CA3

 

2   

Fig. 6.   

     

Fig. 7. 

 

3