Open Access

Lukas Benjamin Thomas

• Die Hippocampusformation ist eine wichtige Hirnstruktur für die Gedächtnisakquisition und -konsolidierung, insbesondere beim räumlichen Lernen spielt sie eine essentielle Rolle. Langzeitpotenzierung (LTP) gilt als das elektrophysiologische Korrelat der synaptischen Plastizität, dem langfristigen Umbau synaptischer Verbindungen, der letztlich zur Ausbildung stabiler, langanhaltender Erinnerungen führt. Signalübertragung über den cAMP/PKA/MAPK/CREB-Weg stellt den wichtigsten molekularen Mechanismus der Langzeitpotenzierung dar, CREB gilt als die zentrale Komponente und Schnittstelle dieser Übertragung. Neuronale Plastizität ist abhängig von de-novo-Pro-teinbiosynthese, an deren Regulation Veränderungen der Chromatinstruktur durch Histonmodifikationen beteiligt ist, in die der genannte Signalweg mündet. Circadiane Rhythmen sind in den meisten Spezies in vielen verschiedenen Organen und Geweben nachgewiesen und manifestieren sich als Einflüsse auf zahlreiche Parameter des Verhaltens, so auch auf die Leistung beim Erlernen neuer Information. Ihr zentraler Taktgeber ist der Nucleus suprachiasmaticus (SCN). Melatonin ist ein wichtiges Effektorsignal des circadianen Systems und hat gleichzeitig Rückkopplungsfunktion. Seine unmittelbare Wirkung übt es über die beiden G-Protein-gekoppelten Melatonin-rezeptoren MT1 und MT2 aus. Es hat direkten Einfluss auf das Lernen und stellt damit einen Schnittpunkt zwischen Signalwegen der synaptischen Plastizität und des circadianen Systems dar. Der Lernerfolg vieler Tierarten ist bekanntermaßen während deren subjektivem Tag höher als während der Nacht. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass beim räumlichen Lernen bereits ein einmaliger Stimulus ausreicht, um im Hippocampus der verwendeten C3H-Mäuse eine stabile Induktion der Phosphorylierung von CREB sowie der transkriptionsaktivierenden Histonmodifikationen H3K9ac und H3K14ac zu erzeugen. Ein einmaliger Stimulus hat also verstärkte Signaltransduktion und Protein-syntheseaktivität als Zeichen synaptischer Plastizität zur Folge. Dies geschieht nur tagsüber, nachts zeigt sich kein Effekt. Somit spiegelt sich der Phänotyp in diesen molekularen Markern wider. Anhand eines Mausmodells mit genetischem Knockout der beiden membrangebundenen Melatoninrezeptoren MT1 und MT2 (MT1/2−/−) wurde der Einfluss von Melatonin auf die molekularen Prozesse des hippocampalen Lernens näher beleuchtet. Über MT1/2−/−-Mäuse ist bekannt, dass ihr Lernerfolg in den benutzten Verhaltensversuchen zu jeder Tageszeit auf dem Niveau der C3H-Mäuse während der Nacht liegt. Zunächst zeigt sich, dass in MT1/2−/−-Mäusen die Grundrhythmen der meisten untersuchten Proteine und Histonmodifikationen verändert, teilweise phasenverschoben und abgeflacht sind. Eine Induktion von pCREB und H3K9ac und H3K14ac ist in diesen Tieren nicht mehr erreichbar und somit nach einem einmaligen Lernstimulus keine vermehrte Signalübertragung oder synaptischer Umbau nachweisbar. Auch hier besteht eine gute Korrelation mit dem Lernphänotyp. Weiterhin wurden Unterschiede im Aktivitätsmuster der beiden Mäusestämme gezeigt, MT1/2−/−-Mäuse sind abhängig von der Situation weniger oder gleich aktiv wie C3H-Tiere. Im Angstverhalten als möglichem Störfaktor besteht kein Unterschied zwischen beiden Tierstämmen. Melatoninrezeptoren wirken über inhibitorische G-Proteine auf die Adenylatcyclase und hemmen den cAMP/CREB-Signalübertragung, was die schlechtere Lernperformance während der Nacht erklärt, wenn der Melatoninspiegel seinen natürlichen Höhepunkt erreicht. Durch Melatonin lassen sich auch tagsüber bei Mäusen und Zebrafischen LTP und räumliches Lernen unterdrücken. Jedoch lässt sich durch diese akute Wirkung von Melatonin nur ein Teil der Ergebnisse erklären, so zum Beispiel die veränderte Aktivität von PKA und PKC. Um das scheinbar paradoxe verschlechterte Lernverhalten der MT1/2−/−-Mäuse und die fehlende Induzierbarkeit von pCREB und Chromatinremodelling zu erklären, muss ein längerfristiger Effekt von Melatonin bestehen, der über dessen maximale Konzentration hinaus anhält und in seiner Abwesenheit zu verbesserter Signalübertragung führt. Hierfür ist eine Sensibilisierung der Adenylatcyclase durch prolongierte Melatoninexposition, wie sie beispielsweise in Zellen der Pars tuberalis nachgewiesen wurde, beschrieben worden. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Melatonin vielfältigen Einfluss auf das hippocampale Lernen hat und dieses mit der inneren Uhr verbindet.
• The hippocampus is a structure in the brain which is integral to memory acquisition and consolidation, especially in spatial learning it plays an essential role. Long-term potentiation (LTP) is generally viewed as the electrophysiological correlate of synaptic plasticity, long lasting changes in synaptic connections which ultimately result in stable and persistent memories. Signalling via the cAMP/PKA/MAPK/CREB pathway is the most important molecular mechanism of long-term potentiation. CREB is seen as central component and intersection of this signalling pathway. Neuronal plasticity is dependent on de novo protein synthesis which is regulated by changes in chromatin structure through the modification of histone proteins. These modifications are one endpoint in the cAMP signalling pathway. Circadian rhythms have been shown to exist in most species in many organs and tissues. Among many other variables, circadian rhythms can be shown to have an effect on the processing of new memories. The central master clock of these circadian dynamics is the suprachiasmatic nucleus (SCN). Melatonin acts as an important effector in this intricate circadian system, while at the same time also contributing feedback to it. Its immediate effects are transmitted by the two G protein-coupled receptors MT1 and MT2. Melatonin thus has a direct influence on memory performance and is a converging point for signalling pathways of synaptic plasticity and circadian systems. It is known that many animal species show enhanced memory performance during their subjective day. In this study, it could be shown that a single stimulus is sufficient to yield a stable induction of phosphorylation of CREB and transcription-associated histone modifications H3K9ac and H3K14ac in the hippocampus of the used C3H mice. Hence a single stimulus causes enhanced signalling and protein synthesis, which can be seen as indicators of synaptic plasticity. This can only be achieved during daytime, during the night the same effect is not seen. The phenotype is thus mirrored in the here studied molecular markers. The influence of melatonin on molecular processes of hippocampal learning was studied in detail using a mouse model with genetic deletion of both membrane bound melatonin receptors MT1 and MT2 (MT1/2−/−). It is known that in the behavioural analyses used here, MT1/2−/− mice show a memory performance similar to that of C3H mice during night time at any time of day. Firstly, it was demonstrated that baseline rhythms of most studied proteins and histone modifications were altered, some of these phase-shifted with dampened amplitude. Furthermore, in correlation with the learning phenotype, induction of pCREB and H3K9ac and H3K14ac could no longer be produced. After a single stimulus no enhanced signalling and synaptic remodelling is detectable. Additionally, differences in activity levels between both strains of mice were noted. Depending on the situation MT1/2−/− mice are equally or less active when compared to C3H mice. There were no differences between the two strains in terms of anxiety behaviour, which was evaluated as a possible con-founder. Melatonin receptors signal via inhibitory G Proteins on adenylyl cyclase and repress the cAMP/CREB pathway, which explains decreased learning performance during night time when melatonin levels are naturally highest. During daytime melatonin can effecttively suppress LTP and spatial learning in mice and zebrafish. However, this acute effect of melatonin can only explain some of the results of this study, such as altered activity of PKA and PKC. A long-lasting effect of melatonin, continuing past its peak concentration and facilitating improved signalling (in the absence of melatonin), could explain the seemingly paradoxical learning impediment and the lack of inducibility of pCREB and chromatin remodelling in MT1/2−/− mice. A suitable candidate for this presumed effect would be long term sensitization of adenylyl cyclase, by prolonged exposure to melatonin, as has been shown to exist for instance in pars tuberalis cells. This offers a multitude of new and interesting hypotheses and approaches for further research. It could be shown in this study that melatonin has complex influence on hippocampal learning and intricately interconnects it with the circadian clock.