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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69535
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/6953/


Untersuchungen zur Arc/Arg3.1‐Expression nach N‐Methyl‐D‐Aspartat‐induzierter Langzeitdepression

Investigation of Arc/Arg3.1-expression after N-methyl-D-aspartate-induced long-term depression

Gruhlich, Jerome

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SWD-Schlagwörter: Gehirn , Hippocampus , Nervenzelle , Synapse , Lernen , Gedächtnis , Plastizität , Rezeptor , Genexpression , Proteine , NMDA
Freie Schlagwörter (Deutsch): IEG , AMPA , Arg3.1 , Langzeitdepression , LTD
Freie Schlagwörter (Englisch): synaptic plasticity , long-term depression , immediate early genes , Arc , Arg3.1
Basisklassifikation: 42.15 , 42.13
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kuhl, Dietmar (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.06.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 28.04.2016
Kurzfassung auf Deutsch: Eine entscheidende Grundlage für die Fähigkeit unseres Gehirns Informationen zu speichern, stellt die aktivitätsabhängige Veränderbarkeit der synaptischen Transmission dar. Eine besondere Rolle spielen dabei NMDA‐Rezeptoren. Aufgrund ihrer molekularen Eigenschaften können NMDA‐Rezeptoren Hebb’sche Formen der synaptischen Plastizität (LTP und LTD) bidirektional regulieren. Für die langanhaltende Modifizierung der synaptischen Transmission ist eine Neusynthese von mRNA und Proteinen notwendig. Eine der ersten Prozesse in synaptischer Plastizität ist daher die unmittelbare Expression aktivitätsregulierter Gene. Ein solches aktivitätsreguliertes Gen ist Arc/Arg3.1. Die Arc/Arg3.1‐Expression wurde gezeigt durch verschiedene Plastizität‐produzierende Stimulationen induziert zu werden. In diesem Zusammenhang wurde demonstriert, dass die Arc/Arg3.1‐Expression im Hippocampus durch LTP‐induzierende, elektrische Stimulationen induziert werden kann. Die Expression von Arc/Arg3.1 wird dabei durch NMDAR‐abhängige Mechanismen erhöht und trägt zur Stabilisierung der LTP bei. Interessanterweise konnten verschiedene Studien einen Einfluss der Arc/Arg3.1‐Expression auf NMDAR‐abhängige Formen der LTD nachweisen. Die Regulation der Arc/Arg3.1‐Expression durch LTD‐produzierende, NMDAR‐abhängige Stimuli, sowie die physiologische Wirkung von Arc/Arg3.1 auf die NMDAR‐abhängige LTD stellen die zentrale Fragestellung dieser Arbeit dar.
Basierend auf einem chemischen Protokoll zur LTD‐Induktion konnte ich durch kurzfristige Applikation von NMDA, die Veränderung der Arc/Arg3.1‐Expression auf Protein‐, als auch mRNA‐Ebene quantitativ analysieren. Überraschenderweise bewirkte dieser Stimulus eine Reduktion der Arc/Arg3.1‐Expression in primären Neuronenkulturen und hippocampalen Gewebeschnitten des Maushirns. In weiteren Experimenten konnte ich darlegen, dass die Reduktion der Arc/Arg3.1‐Expression durch die Aktivierung GluN2B‐haltiger NMDARezeptoren, den sekundären Botenstoff Calcium und die Deaktivierung der ERK1/2‐Kinase reguliert wird. Interessanterweise konnte ich neben der Arc/Arg3.1‐Transkription auch die Arc/Arg3.1‐Translation als Ziel der NMDAR‐initiierten Signalübertragung identifizieren. Ein Modell zur Erklärung der synaptischen Plastizität ist die regulierte Expression von AMPA-Rezeptoren an der neuronalen Zelloberfläche. Um die Funktion von Arc/Arg3.1 für NMDAR-abhängige Formen der LTD zu analysieren wurden AMPAR‐Expressionslevel in hippocampalen Hirnschnitten von Arc/Arg3.1‐Wildtyp‐ und Arc/Arg3.1‐Knockout‐Mäusen per Oberflächen‐Biotinylierung biochemisch analysiert. Meine Ergebnisse legen dar, dass die NMDAR‐abhängige Form der LTD, ähnlich der elektrischen oder DHPG‐induzierten LTD, mit einer reduzierten Expression GluA1‐haltiger AMPA‐Rezeptoren an der neuronalen Zelloberfläche einhergeht. Im Gegensatz zu den anderen Formen der LTD zeigte der Verlust des Arc/Arg3.1‐Gens in den Arc/Arg3.1‐Knockout‐Mäusen, keine Beeinträchtigungen in der Reduktion der GluA1‐Expression. Diese Beobachtung ließ sich darüber hinaus in elektrophysiologischen Untersuchungen in unserem Labor bestätigen. Dies zeigt, dass die NMDA‐LTD in den hippocampalen Hirnschnitten der Arc/Arg3.1‐Knockout‐Mäuse intakt ist.
Zusammengefasst ließ sich in dieser Arbeit feststellen, dass die Aktivierung von NMDA-Rezeptoren eine bidirektionale Regulation der synaptischen Effizienz und parallel eine Veränderung der Arc/Arg3.1‐Expression bewirkt. So zeigt sich, dass eine LTP mit einer Erhöhung und umgekehrt eine LTD mit einer Reduktion der Arc/Arg3.1‐Expression einhergeht. Es bleibt jedoch zu klären, inwieweit eine Reduktion der Arc/Arg3.1‐Expression eine Vorraussetzung für die Induktion und Konsolidierung der NMDA‐LTD darstellt. Alternativ könnte die Reduktion eine wichtige Funktion bei anschließenden metaplastischen Prozessen spielen. Die Funktion von Arc/Arg3.1 in der Endozytose von AMPA‐Rezeptoren scheint nicht für alle Formen der LTD notwendig zu sein. So kann im Gegensatz zum mGluR‐LTD, die Konsolidierung der NMDA‐LTD unabhängig von der Arc/Arg3.1‐Expression vermittelt werden. Dies lässt vermuten, dass in Neuronen Arc/Arg3.1‐unabhängige Mechanismen zur Endozytose von AMPA‐Rezeptoren existieren.
Kurzfassung auf Englisch: Activity‐dependent expression of immediate‐early genes (IEGs) is essential for enduring forms of synaptic plasticity. Arc/Arg3.1 transcription is robustly induced by plasticity‐producing stimulations which require activation of N‐methyl‐D‐aspartate (NMDA) receptors and mitogen-activated protein kinases / extracellular signal‐regulated kinase (ERK). Arc/Arg3.1 protein is involved in diverse forms of synaptic plasticity, for example in both long‐term potentiation (LTP) and long‐term depression (LTD). One of Arc/Arg3.1’s major functions is the regulated expression of α‐amino‐3‐ hydroxy‐5‐methyl‐4‐isoxazole propionic acid (AMPA) receptors on the neuronal surface. However, the precise mechanism of Arc/Arg3.1’s molecular action and its regulation in NMDA receptor‐dependent LTD remains unknown.
In this study I monitored Arc/Arg3.1 expression in primary cultured neurons and acute hippocampal slices at mRNA and protein levels. I show, that a short‐term application of low-dose NMDA, a chemical stimulus to induce NMDAR‐dependent LTD, leads to a significant reduction of both Arc/Arg3.1 mRNA and protein. This NMDA‐triggered downregulation is based on the downregulation of both transcription and translation of Arc/Arg3.1, requires activation of GluN2B‐containing NMDARs and is dependent on NMDA‐induced deactivation of ERK.
Functional analysis in acute hippocampal slices shows that NMDA treatment decreases GluA1‐AMPA receptor surface expression in Arc/Arg3.1‐wildtyp mice. In contrast to electrically-induced and metabotrope glutamate receptor‐dependent forms of LTD, I found that the NMDA‐mediated decrease in AMPAR-expression was not impaired in Arc/Arg3.1‐knockout mice. Moreover, this finding was corroborated in electrophysiological recordings in our lab.
Thus I elucidated a new function of NMDA receptors for bidirectional regulation of Arc/Arg3.1 expression during NMDA receptor‐dependent forms of synaptic plasticity. Whereas, LTP is accompanied by an induction of Arc/Arg3.1, NMDA‐induced LTD is associated with a reduction of Arc/Arg3.1 expression. However, it is not known whether the reduction of Arc/Arg3.1 expression is required for NMDA‐induced LTD. Alternatively, reduction of Arc/Arg3.1 expression might play a role in subsequent metaplastic events. In contrast to mGluR‐induced LTD my data suggest that Arc/Arg3.1’s function in AMPAR‐trafficking is not required for NMDA‐LTD. Indicating that Arc/Arg3.1‐independent mechanisms for endocytosis of AMPA receptors exist.

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