LTP in conventional and conditional Arc/Arg3.1 KO mice

Abstract

Long-term potentiation had been widely studied in several brain regions to gain a better understanding of molecular mechanisms believed to underlie learning and memory. The fundamental basis for the acquisition and storage of new information is the ability of neuronal circuits, in particular within the hippocampus, to modify synaptic strength through Hebbian and non-Hebbian mechanisms. Long-lasting synaptic plasticity can be evoked by activation of NMDA receptors leading to functional and morphological alterations in activated synapses. Up-regulation of immediate early genes and novel protein synthesis are required for consolidating synaptic plasticity long enough to support memory. One of these IEG is Arc/Arg3.1 which plays an essential role in memory and plasticity consolidation. The current study investigated the role of Arc/Arg3.1 in LTP elicited by a behaviorally inspired theta-burst-stimulation (TBS). Conventional (KO, Arc/Arg3.1-/-) and conditional KO (Arc/Arg3.1f/f, Cre+, cKO) mice in which Arc/Arg3.1 was deleted either in the germline (KO, Arc/Arg3.1-/- mice) or early after birth (cKO, Arc/Arg3.1f/f, Cre+ mice) were examined to explore the effects of Arc/Arg3.1 expression during development on adult synaptic transmission and plasticity. Moreover, conventional heterozygous (HT) KO mice were investigated to reveal gene-dose response of Arc/Arg3.1 on synaptic transmission and plasticity. In conventional WT mice LTP was correlated with stimulation strength and duration; in agreement with previous reports. A transient LTP was induced by a single TBS train whereas 4 consecutive TBS trains elicited persistent LTP. In conventional KO mice e-LTP was abnormally large in response to 1 and 4 TBS while l-LTP decayed to baseline after 5 hours of stimulation. The summed fEPSP slopes during the TBS and the fEPSP amplitudes were strongly reduced in KO compared to WT mice, indicating altered short-term modulation and basal synaptic transmission. Heterozygous KO mice exhibited reduced baseline and TBS-evoked fEPSP amplitudes, increased e-LTP and decreased l-LTP compared to WT littermates. In most measures, values of HT mice were intermediate between those of WT and KO littermates, indicating gene-dose response effects of Arc/Arg3.1 on synaptic transmission and plasticity. Conditional removal of Arc/Arg3.1 after postnatal day 14 (P14) generated adult cKO mice that were completely devoid of Arc/Arg3.1, but experienced normal Arc/Arg3.1 expression during early development. These conditional KO mice exhibited relatively normal TBS slopes and l-LTP, elevated e-LTP but significantly reduced baseline fEPSP amplitudes compared to their WT littermates. These findings indicate that Arc/Arg3.1 expression before P14 is sufficient to install the mechanisms responsible for the TBS slope amplification and for the recruitment of l-LTP. Differently, expression of Arc/Arg3.1 after P14 is needed for establishing baseline synaptic transmission. Taken together, my findings confirm an important role for Arc/Arg3.1 in synaptic transmission and plasticity and differentiate dose from time-dependent effects. Arc/Arg3.1 might mediate these effects by influencing the number of CA1 synapses, their strength and their plasticity through trafficking of glutamate receptors. My work helps to direct future experiments on the role of Arc/Arg3.1 during normal and pathological brain development.

Die Langzeitpotenzierung (LTP) in den verschiedenen Gehirnregionen war Gegenstand zahlreicher Studien und ermöglicht uns ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, die für die Bildung des Langzeitgedächtnisses verantwortlich sind, zu gewinnen. Die grundlegende Voraussetzung für den Erwerb und die Speicherung von neuen Informationen ist die Fähigkeit neuronaler Schaltkreise, insbesondere der Schaltkreise in der Region des Hippocampus, die Stärke der zugehörigen Synapsen durch Hebb'sche und nicht Hebb'sche Mechanismen zu modifizieren. Dauerhafte synaptische Plastizität kann durch aktivierte NMDA Rezeptoren funktionelle und morphologische Veränderungen in stimulierten Synapsen hervorrufen. Es ist bekannt, dass eine ausreichende Hochregulierung von "immediate early genes" (IEGs) und die Synthese von neuen Proteinen nötig sind, um die Bildung des Langzeitgedächtnisses zu induzieren. Eines dieser IEGs, welchem eine entscheidende Rolle bei der Bildung des Langzeitgedächtnisses und dessen plastische Konsolidierungsprozesse zugeschrieben wird, ist Arc/Arg3.1. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Funktion von Arc/Arg3.1 in der durch Theta-burst-Stimulierung erzeugten Langzeitpotenzierung untersucht. Konstitutive (KO, Arc/Arg3.1-/-) und konditionelle KO (Arc/Arg3.1f/f, Cre+, cKO) Mäuse, in denen Arc/Arg3.1 jeweils in der Keimbahn (KO, Arc/Arg3.1-/-Mäuse) oder in den ersten Tagen nach der Geburt (cKO, Arc/Arg3.1f/f, Cre+ Mäuse) entfernt wurde, wurden in die Experimente eingeschlossen, um die Auswirkungen von Arc/Arg3.1 Expression während der Entwicklung auf die adulte synaptische Transmission und Plastizität zu studieren. Außerdem wurden konstitutive heterozygote (HT) KO Mäuse untersucht, um einen etwaigen Gendosis abhängigen Effekt der Arc/Arg3.1 Deletion auf die synaptische Transmission und Plastizität aufzuzeigen. Übereinstimmend mit früheren Studien, korrelierte LTP in den konstitutiven WT Mäusen mit der zugeführten Intensität und der Dauer der Stimulation. Demnach generierten schwache Stimulierungsprotokolle (1 TBS) transientes LTP, während stärkere Stimulierungsprotokolle (4 TBS) langanhaltendes LTP hervorriefen. In konstitutiven KO Mäusen war e-LTP nach 1 und 4 TBS ungewöhnlich hoch, wohingegen l-LTP nach 5 Stunden Stimulierung auf das Niveau der Baseline abfiel. Im Gegensatz zu den WT Mäusen, zeigten KO Mäuse einen Abfall des summierten "fEPSP slopes" während der TBS Gabe und reduzierte fEPSP Amplituden. Dieses Ergebnis deutet auf eine Veränderung in der kurzzeitigen Modulation und der basalen synaptischen Transmission hin. Verglichen mit den WT Mäusen, zeigten heterozygote KO Mäuse reduzierte Baseline fEPSP Amplituden und reduzierte "fEPSP slopes" während der TBS Gabe sowie erhöhte e-LTP und erniedrigte l-LTP Werte. In den meisten Messungen lagen die Werte der HT Mäusen zwischen den Werten der WT und KO Mäusen, und ließen somit einen Gen-Dosis abhängigen Effekt von Arc/Arg3.1 bezüglich der synaptischen Transmission und der Plastizität vermuten. Die konditionelle Entfernung von Arc/Arg3.1 nach dem 14. postnatalen Tag (P14) erzeugte zwar cKO Mäuse, die gänzlich frei von der Arc/Arg3.1 Expression waren, jedoch während der frühen Entwicklung normale Arc/Arg3.1 Expression aufwiesen. Konditionelle KO Mäuse besaßen relativ normale "TBS slope" und l-LTP Werte, erhöhte e-LTP Werte sowie signifikant reduzierte Baseline fEPSP Amplituden im Vergleich zu der zugehörigen WT Kontrollgruppe. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Arc/Arg3.1 Expression vor dem 14. Lebenstag ausreichend ist, um Mechanismen der "TBS slope" Amplifikation und der Langzeitpotenzierung zu aktiveren. Im Gegensatz dazu, erfordert die Stärke der basalen synaptischen Transmission die Expression von Arc/Arg3.1 auch nach dem 14. Lebenstag. Zusammengefasst bestätigen meine Ergebnisse die wichtige Rolle von Arc/Arg3.1 in der synaptischen Transmission und Plastizität und differenzieren zwischen einem Gen-Dosis und einem zeitlich abhängigem Effekt der Arc/Arg3.1 Expression. Arc/Arg3.1 könnte diese Effekte durch die Anzahl der CA1 Synapsen, ihrer Stärke oder ihrer Plastizität via Glutamat Rezeptor-Trafficking regulieren. Meine Arbeit soll ein Wegweiser für zukünftige Experimente sein und diese darin unterstützen, neue Funktionen von Arc/Arg3.1 während der normalen und der pathologischen Entwicklung des Gehirns aufzudecken.