Functions of GPER1 in the temporoammonic pathway

Abstract

The CA1 region of the hippocampus receives input from the entorhinal cortex through two pathways, indirectly via the classic “trisynaptic” path and directly through the temporoammonic pathway (TA). The contribution of 17β-estradiol (E2) to neuronal plasticity in hippocampal CA1 has been widely investigated, but studies have focused on CA1 stratum radiatum, the termination zone of the “trisynaptic” path, whereas the functions of E2 in CA1 stratum lacunosum (SLM), the termination zone of the TA, are poorly understood. Prompted by observations of a strong expression of the membrane-bound estrogen receptor GPER1 in SLM, this study aimed at an understanding of E2-mediated functions via GPER1 in SLM. Using GPER1-agonist G1 and organotypic entorhino-hippocampal slice cultures from Thy1-eGFP-mice for in vitro experimentation, effects of GPER1 activation on the densities of spines and spine synapses were determined in SLM. In addition, effects of G1 on the expression of synaptic proteins were determined by Western Blots in the culture lysate. Effects of E2-treatment (2 nM) were measured for comparison. The experiments revealed increased spine densities and altered expression levels of synaptic proteins (enhanced PSD95, reduced p-/n-cofilin ratio) in the slice cultures after G1-treatment. Remarkably, these effects were sex-dependent and observed only in cultures from female mice, and not in those from male mice. E2-treatment largely replicated the findings after G1, indicating that the observed effects can be attributed to estrogen. However, some discrepancies after E2-treatment also suggest that E2-signaling pathways in SLM do not only involve GPER1. In addition, spinogenesis was not accompanied by synaptogenesis in the G1-treated slice cultures, which, however, could be explained by the immature state of the cultures and other methodological aspects. Taken together, these findings support potential functions of GPER1 in estrogen-mediated neuronal plasticity and could be relevant for the understanding of sex differences in memory-related cognitive functions. Follow-up studies using GPER1-deficient mouse lines may further throw light on the functions of this receptor in SLM.

Die CA1-Region des Hippocampus erhält Eingänge vom entorhinalen Kortex über zwei Wege, indirekt über den klassischen „trisynaptischen Pfad“ und direkt über den „temporoammonischen Pfad“ (TA). Untersuchungen zur Rolle von 17β-Östradiol (E2) bei der Regulation neuronaler Plastizität in der CA1-Region konzentrierten sich bislang auf das Stratum radiatum, die Terminationszone des trisynaptischen Pfades. Relativ wenig untersucht, sind Funktionen von E2 im Stratum lacunosum-moleculare (SLM), der Terminationszone des TA. Veranlasst durch den Befund einer markanten Expression des membranständigen Östrogenrezeptors GPER1 im SLM, untersuchte diese Studie mögliche GPER1-vermittelte Funktionen im SLM. Dabei wurden der GPER1-Agonist G1 und organotypische, entorhino-hippocampale Gewebekulturen von Thy1-eGFP-positiven Mäusen für Experimente in vitro genutzt. Untersucht wurden die Auswirkungen einer G1- vermittelten GPER1-Aktivierung auf die Dichte von Dornfortsätzen (Spines) und von Spinesynapsen im SLM. Weiterhin wurden im Lysat der Kulturen die Auswirkungen einer G1-Behandlung auf die Expression synaptischer Proteine mittels Western Blots bestimmt. Begleitend wurden dieselben Parameter auch nach E2-Stimulierung (2 nM) untersucht. Die Untersuchungen erbrachten den Befund, dass die Spinedichte im SLM nach G1-Gabe signifikant erhöht war. Zusätzlich wurde durch G1 auch die Expression von PSD95 erhöht und das Verhältnis von p- zu n-Cofilin reduziert. Bemerkenswerterweise waren diese Effekte jedoch nur in Kulturen von weiblichen Mäusen, nicht aber in denen von männlichen, zu beobachten. E2-Gabe reproduzierte die G1-Befunde weitgehend, was auf E2 als Effektor hindeutet. Einige E2-Wirkungen waren jedoch diskrepant zu den G1-Effekten, was möglicherweise durch zusätzliche Östrogenrezeptor-Wirkungen im SLM zu erklären ist. Außerdem war die Spinezunahme nach G1-Gabe nicht von einer Zunahme von Spinesynapsen begleitet, was jedoch durch das frühe Entwicklungsstadium der Gewebekulturen und methodische Aspekte erklärbar ist. Zusammengenommen unterstützen diese Befunde die Annahme einer Bedeutung von GPER1 bei der E2-vermittelten neuronalen Plastizität im Hippocampus und sie könnten für das Verständnis von Geschlechtsunterschieden in gedächtnisbezogenen kognitiven Funktionen relevant sein. Zukünftige Untersuchungen an GPER1-defizienten Mäusen könnten weitere Erkenntnisse über die Funktion dieses Rezeptors erbringen.