The role of cFOS and ΔFOSB in episodic-like memory

Abstract

In the quest to understand how memory works, a lot of effort has been invested in identifying the physiological substrate of memory in the brain. In recent decades, several studies have used the immediate early gene cFOS as a marker to identify active neurons during memory formation and recall. This approach assumes that neuronal activity always results in cFOS expression, and expression is consistent between neurons and throughout the brain. Investigating in detail the relationship between cFOS and neuronal activity during learning and memory recall is the subject of my thesis. Using a nuclear Ca2+ indicator (CaMPARI2) and optogenetic tools (ChrimsonR), I find that the relationship between learning, neuronal activity, Ca2+ and cFOS is more complex than was previously thought. I found that in the hippocampus, cFOS expression does not correlate with Ca2+ or action potentials. Despite high Ca2+ levels, in some neurons (CA2 region) cFOS expression is absent. Strikingly, cFOS induction is highest at low frequencies and depends on glutamate and mGluR receptor signaling. Hippocampal cFOS is strongly induced during water maze training and optogenetic inhibition of dentate granule cFOS ensembles labeled during learning impairs memory recall on subsequent days. After analyzing cFOS in mice visiting the water maze, we made an intriguing observation: cFOS labeled ensembles of neurons in the dentate gyrus segregate over time and rarely re-express cFOS twice, despite elevated calcium levels. The same results were observed in the home cage environment, suggesting that once cFOS is expressed, a repressive mechanism is activated to suppress cFOS expression when these neurons are reactivated. I found that this suppression of cFOS is mediated by ∆FOSB and depends on histone deacetylase enzymes, which make epigenetic modifications to DNA. This epigenetic repression of cFOS occurs specifically in the dentate gyrus. Interfering with histone deacetylation over days of learning caused memory problems, particularly during recall. My results challenge the traditional link between neuronal activity/Ca2+ and cFOS and suggest that cFOS expression is a more complex regulated process. Further, we conclude that ∆FOSB mediated cFOS repression represents a critical mechanism for a flexible memory system.

Um die Funktionsweise des Gedächtnisses zu verstehen, ist es notwendig, das physiologische Substrat des Gedächtnisses zu identifizieren, das sogenannte Engram. In den letzten Jahrzehnten haben mehrere Studien den Transkriptionsfaktor cFOS als Marker verwendet, um Neuronen zu identifizieren, die während der Gedächtnisbildung und des Gedächtnisabrufs aktiv sind. Dieser Ansatz geht davon aus, dass neuronale Aktivität immer zur Expression von cFOS führt und dass dies für alle Neuronen im gesamten Gehirn gilt. Das Ziel meiner Doktorarbeit war, die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und cFOS während des Lernens und des Gedächtnisabrufs im Detail zu untersuchen. Mit Hilfe eines im Zellkern lokalisierten Ca2+ -Indikators (CaMPARI2) und lichtgesteuerter Ionenkanäle (ChrimsonR) habe ich herausgefunden, dass die Beziehung zwischen Lernen, neuronaler Aktivität, Ca2+ und cFOS komplexer ist als bisher angenommen. Ich konnte zeigen, dass die cFOS-Expression im Hippocampus nicht mit der Ca2+ - Konzentration im Nukleus oder mit Aktionspotentialen korreliert. Trotz hoher Ca2+ -Spiegel wird cFOS in einigen Neuronen, z.B. in CA2 Pyramidenzellen, nicht exprimiert. Interessant ist, dass die cFOS-Induktion nach synchroner optogenetischer Stimulation mit sehr niedriger Frequenz (0.1 Hz) am höchsten ist und von Glutamat-Freisetzung und metabotropen Glutamatrezeptoren abhängt, also nicht zellautonom ausgelöst wird. Im Hippocampus wird cFOS während des Trainings im Wasserlabyrinth induziert. Die optogenetische Inhibition von cFOS-Ensembles im Gyrus dentatus, die während des Lernens markiert wurden, beeinträchtigt den Gedächtnisabruf an den folgenden Tagen. Bei der Analyse der cFOS Expression in Mäusen, die das Wasserlabyrinth besuchten, machten wir eine überraschende Beobachtung: Das Muster cFOS-markierter Neurone im Gyrus dentatus ändert sich von Tag zu Tag. Dies deutet darauf hin, dass nach der Expression von cFOS ein repressiver Mechanismus aktiviert wird, der die erneute cFOS-Expression unterdrückt, wenn diese Neuronen reaktiviert werden. Ich konnte an Schnittkulturen zeigen, dass der repressive Mechanismus auf der Expression und Anreicherung von ∆FOSB beruht und über epigenetische Veränderungen (Acetylierung von Histonen) vermittelt wird. Wir vermuten, dass dieser Mechanismus, der im intakten Tier auf den Gyrus dentatus beschränkt ist, für die Speicherung von episodischen (d.h. zeitlich gruppierten) Gedächtnisinhalten besonders wichtig ist. Ich fand heraus, dass diese cFOS-Suppression durch ∆FOSB vermittelt wird und von Histondeacetylase-Enzymen abhängt, die epigenetische Modifikationen an der DNA vornehmen. Diese epigenetische Suppression von cFOS findet spezifisch im Gyrus dentatus statt. Die repetitive Inhibition der Histondeacetylierung während des Lernens führte zu Gedächtnisproblemen, insbesondere beim Abruf. Unsere Ergebnisse stellen den traditionellen Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität/Ca2+ und cFOS in Frage und deuten darauf hin, dass die cFOS-Expression ein komplexer regulierter Prozess ist. Darüber hinaus kommen wir zu dem Schluss, dass die ∆FOSB-vermittelte cFOS-Unterdrückung ein entscheidender Mechanismus für ein flexibles Gedächtnissystem ist.