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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-36908
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3690/


Synaptic plasticity in mice (Mus musculus L., 1758) deficient in cell adhesion or extracellular matrix molecules: in vivo and in vitro electrophysiological analysis

Synaptische Plastizität in Mäusen (Mus musculus L., 1758), defizient in Zelladhäsionsmolekülen oder Extrazellularmatrixmolekülen sind: in vivo und in vitro elektrophysiologische Analysen

Stoenica, Luminita

Originalveröffentlichung: (2008) In vivo synaptic plasticity in the dentate gyrus of mice deficient in the neural cell adhesion molecule NCAM or its polysialic acid
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SWD-Schlagwörter: Langzeitpotenzierung , Extrazelluläre Matrix , Hippocampus , Neurogenese
Freie Schlagwörter (Deutsch): Zelladhäsionsmoleküle
Freie Schlagwörter (Englisch): Long term potentiation , extracellular matrix , cell adhesion molecules
Basisklassifikation: 42.63
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schachner, Melitta (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.04.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 16.06.2008
Kurzfassung auf Englisch: The extracellular matrix (ECM) is a complex network of macromolecules including glycoproteins, polysaccharides and proteoglycans. In the nervous system, cell adhesion molecules (CAMs) and ECM components mediate cell-cell and cell-matrix interactions,regulating cell migration, survival, differentiation, axonal pathfinding and synapse
formation.Previously published studies have revealed that recognition molecules, such as tenascin-R (TN-R), tenascin-C (TN-C) and polysialylated neural cell adhesion molecule
(NCAM) are involved in cognitive functions and modulation of hippocampal synaptic transmission and plasticity. All these electrophysiological studies have been conducted in vitro and not verified in vivo. In order to fill the gap between in vitro recordings of synaptic plasticity and behavioral analysis, we recorded long-term potentiation (LTP)induced by theta-burst stimulation in anesthetized mice deficient in TN-C, TN-R or NCAM and its polysialylation enzymes, polysialytransferases ST8SiaII/STX and ST8SiaIV/PST. The recordings were performed at perforant path - dentate gyrus
synapse since it is the most convenient for identification and induction of LTP in vivo. The neural cell adhesion molecule, NCAM, plays important roles in synaptic
plasticity in the CA1 and CA3 regions of the hippocampus in vitro: in CA1, LTP depends on polysialic acid (PSA) produced by the polysialtransferase ST8SiaIV/PST,mostly involved in polysialylation of NCAM in mature neurons. In CA3, mossy fiber LTP is not dependent on PSA. Here we report that basal synaptic transmission in the dentate gyrus, measured as the slope of field excitatory postsynaptic potentials, was
reduced strongly in mice lacking ST8SiaII/STX, the enzyme involved in polysialylation of NCAM in immature granule cells. Mice deficient either in the NCAM glycoprotein or ST8SiaIV/PST had normal basal synaptic transmission. On the other hand, mice deficient in NCAM, although not in ST8SiaIV /PST or ST8SiaII/STX, were impaired in LTP induced by theta-burst stimulation, suggesting that LTP in the dentate gyrus depends on the NCAM glycoprotein alone rather than on its associated PSA. As also patterns of synaptic activity during and immediately after induction of LTP were abnormal in NCAM deficient mice, it is likely that induction of LTP requires NCAM. Since there is ongoing neurogenesis in the dentate gyrus of adult mice, LTP in
this regions has two components: synaptic changes in immature neurons, induction of which is dependent on activity of NR2B subunit-containing NMDA glutamate receptors
and does not require disinhibition of dentate gyrus in vitro and synaptic changes in mature neurons, which have opposing properties. Recording of in vitro LTP in immature neurons did not reveal a difference between NCAM deficient and wild-type neurons, suggesting that abnormalities in in vivo LTP are due to abnormalities in synaptic plasticity in mature granule cells. These data are the first to suggest that (1) independently of PSA expression, NCAM is necessary for induction of synaptic plasticity in mature granule cells in vivo and (2) polysialylated NCAM expressed by immature granule cells in the dentate gyrus supports development of basal excitatory synaptic transmission in this region.
Our in vivo recording of synaptic plasticity in mice deficient in the extracellular matrix glycoprotein TN-C did not reveal any abnormalities in basal synaptic transmission or synaptic plasticity at the perforant path – dentate gyrus connections. The situation was different for another investigated member of the tenascin family, TN-R. Deficiency in TN-R caused abnormal paired-pulse facilitation and impaired synaptic plasticity. Since morphological analysis of TN-R deficient mice revealed a high ratio of inhibitory to excitatory cells in the dentate gyrus, we performed experiments to rescue the impairment in LTP by blocking the GABAergic inhibition in the area of recording.
Indeed, presence of GABAA antagonist, picrotoxin, in the recording pipette normalized the levels of LTP in TN-R deficient mice to those recorded in wild-type controls. To
extend analysis of major excitatory synapses in the hippocampus of TN-R-deficient mice, we also studied synaptic plasticity in the CA3 region. Since from a technical point
of view it is difficult to record synaptic responses in the CA3 area in vivo, these experiments were performed in vitro. Recordings of LTP in the CA3 subfield revealed
no differences between TN-R and wild-type genotypes, fact which is in agreement with the morphological data, showing normal synaptic coverage of CA3 principal cells by
synapses of parvalbumin-expressing interneurons.
In summary, our results provide novel evidence that NCAM and TN-R molecules are essential for normal hippocampal structure and synaptic function in vivo.
Kurzfassung auf Deutsch: Die extrazelluläre Matrix (ECM) besteht aus einem komplexen Netz verschiedener
Makromoleküle, darunter Glykoproteine, Polysaccharide und Proteoglykane. Innerhalb
des Nervensystems vermitteln die ECM und Zelladhäsonsmoleküle (CAMs) Zell-Zell
und Zell-Matrix Interaktionen, und regulieren so die zelluläre Differenzierung, das
Überleben, axonales Wachstum und Synapsenbildung. In früheren Arbeiten konnte
nachgewiesen werden, dass Zellerkennungsmoleküle wie TN-R, TN-C und das
polysialylierte neurale Zelladhäsionsmolekül NCAM eine Rolle bei kognitiven
Funktionen und der Modulation hippokampaler synaptischer Plastiziät spielen. Die
bisherigen elektrophysiologischen Arbeiten wurden allerdings alle in in vitro Systemen
durchgeführt ohne in vivo bestätigt zu werden.
Aus diesem Grund wurde Langzeitpotenzierung (LTP) in anästhetisierten Mäusen,
defizient in TN-R, TN-C sowie NCAM und dessen Polysialytransferasen ST8SiaII/STX und ST8SiaIV/PST induziert, um diese Lücke zwischen in vitro Experimenten
und verhaltensbiologischen Analysen zu schließen. Die Langzeitpotenzierung wurde durch repetitive Reizung des Tractus perforans in der Theta-Frequenz erreicht. Für die
einzelnen oben aufgeführten Teilprojekte wurden folgende Ergebnisse erzielt: NCAM spielt eine wichtige Rolle in der synaptischen Plastizität in der CA1 und CA3 Region
des Hippokampus in vitro: Die Polysialylierung von NCAM in der CA1 Region des adulten Hippokampus, katalysiert von der Polysialyltransferase ST8SiaIV/PST, ist
unabdingbar um LTP zu induzieren. Die basale synaptische Transmission im Gyrus dentatus, ausgedrückt durch die Steigung des exzitatorischen Feldpotentials war stark
reduziert in ST8SiaII/STX defizienten Mäusen. Dieses Enzym vermittelt die Polysialylierung von NCAM in unreifen Körnerzellen. NCAM oder ST8SiaIV/PST
defiziente Tiere dagegen besitzen normale synaptische Transmission. Die Langzeitpotenzierung, hervorgerufen durch Stimulation in der Theta-Frequenz, ist selektiv verringert in NCAM defizienten Tieren. Dies legt nahe, dass LTP im Gyrus dentatus lediglich von der Anwesenheit des NCAM Proteins, nicht jedoch von dessen
Polysialysierung abhängt. Da die elektrophysiologische Aktivität während und nach der
LTP Induzierung in NCAM defizienten Tieren verändert ist, wird dieses Molekül
vermutlich bereits für die Induktion der LTP benötigt. Aufgrund der ständigen
Neurogenese innerhalb des Gyrus dentatus besteht die Langzeitpotenzierung aus zwei
verschiedenen Komponenten. Eine davon ist die synaptische Veränderung in unreifen
Neuronen. Diese wird von NMDA-Rezeptoren, welche die Untereinheit NR2B
enthalten vermittelt, und benötigt keine gleichzeitige Unterdrückung der Inhibition des
Gyrus dentatus in vitro. Die zweite Komponente hat gegenteilige Eigenschaften und
resultiert aus den synaptischen Veränderungen maturierter Neurone. Da die in vitro
Langzeitpotenzierung keine Unterschiede zwischen NCAM defizienten Tieren und
Kontrolltieren zeigt, sind die in vivo beobachteten Unterschiede vermutlich auf
Veränderungen der Plastizität in maturierten Körnerzellen zurückzuführen. Mit diesen
Ergebnissen wird erstmal ein Beleg dafür präsentiert, dass NCAM unabhängig von
seiner Polysialylierung notwendig für die Induktion der Langzeitpotenzierung in
maturierten Körnerzellen in vivo ist, und dass das polysialylierte NCAM der unreifen
Granularzellen im Gyrus dentatus eine wichtige Rolle für die Entwicklung der basalen
exzitatorischen Transmission dieser Zellen spielt.
Die in vivo Untersuchung der basalen Transmission und der synaptischen Plastizität in
Tieren defizient für das ECM Glykoprotein TN-C haben keinerlei Unterschiede and der
tractus perforans-DG Synapse gezeigt. Ein anderes Bild zeigt sich bei dem verwandten
Molekül TN-R. TN-R Defizienz führt zu veränderter Doppelpulsverstärkung und
verringerter synaptischer Plastizität. Morphologische Untersuchungen dieser Tiere
ergaben ein erhöhtes Verhältnis inhibitorischer zu exzitatorischer Neurone. Daher sollte
eine Blockierung der GABAergen Inhibition zu einer Wiederherstellung der
Langzeitpotenzierung führen. Tatsächlich führte die Applikation des GABAA-Rezeptor
Antagonisten Picrotoxin durch die aufnehmende Elektrode zu einer Normalisierung der
Langzeitpotenzierung in TN-R defizienten Tieren. Um diese Analyse auf die
wichtigsten exzitatorischen Synapsen des Hippokampus zu erweitern, wurde auch eine
Analyse in der CA3 Region der TN-R defizienten Tiere durchgeführt, aus technischen
Gründen jedoch ausschließlich in vitro. LTP Untersuchungen dort zeigten keine
Veränderungen, was dem Ergebnis morphologischer Untersuchungen entspricht, die
keine Unterschiede in der Innervation der CA3 Pyramidenzellen durch die Synapsen
Parvalbumin positiver Interneurone ergaben.
Zusammenfassend liefert diese Arbeit neue Anhaltspunkte dafür, dass NCAM und TNR
essentielle Moleküle für die strukturelle Entwicklung und die synaptische Plastizität
in vivo sind.


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