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Synaptic release sites are characterized by exocytosis-competent synaptic vesicles tightly anchored to the presynaptic active zone (PAZ) whose proteome orchestrates the fast signaling events involved in synaptic vesicle cycle and plasticity. Allocation of the amyloid precursor protein (APP) to the PAZ proteome implicated a functional impact of APP in neuronal communication. In this study, we combined state-of-the-art proteomics, electrophysiology and bioinformatics to address protein abundance and functional changes at the native hippocampal PAZ in young and old APP-KO mice. We evaluated if APP deletion has an impact on the metabolic activity of presynaptic mitochondria. Furthermore, we quantified differences in the phosphorylation status after long-term-potentiation (LTP) induction at the purified native PAZ. We observed an increase in the phosphorylation of the signaling enzyme calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) only in old APP-KO mice. During aging APP deletion is accompanied by a severe decrease in metabolic activity and hyperphosphorylation of CaMKII. This attributes an essential functional role to APP at hippocampal PAZ and putative molecular mechanisms underlying the age-dependent impairments in learning and memory in APP-KO mice.
The amyloid precursor protein (APP) was discovered in the 1980s as the precursor protein of the amyloid A4 peptide. The amyloid A4 peptide, also known as A-beta (Aβ), is the main constituent of senile plaques implicated in Alzheimer’s disease (AD). In association with the amyloid deposits, increasing impairments in learning and memory as well as the degeneration of neurons especially in the hippocampus formation are hallmarks of the pathogenesis of AD. Within the last decades much effort has been expended into understanding the pathogenesis of AD. However, little is known about the physiological role of APP within the central nervous system (CNS). Allocating APP to the proteome of the highly dynamic presynaptic active zone (PAZ) identified APP as a novel player within this neuronal communication and signaling network. The analysis of the hippocampal PAZ proteome derived from APP-mutant mice demonstrates that APP is tightly embedded in the underlying protein network. Strikingly, APP deletion accounts for major dysregulation within the PAZ proteome network. Ca2+-homeostasis, neurotransmitter release and mitochondrial function are affected and resemble the outcome during the pathogenesis of AD. The observed changes in protein abundance that occur in the absence of APP as well as in AD suggest that APP is a structural and functional regulator within the hippocampal PAZ proteome. Within this review article, we intend to introduce APP as an important player within the hippocampal PAZ proteome and to outline the impact of APP deletion on individual PAZ proteome subcommunities.
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.