Refine
Year of publication
- 2017 (3) (remove)
Document Type
- Article (2)
- Doctoral Thesis (1)
Language
- English (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- no (3)
Keywords
- synaptic plasticity (3) (remove)
Institute
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.
Regulation of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptor trafficking in response to neuronal activity is critical for synaptic function and plasticity. Here, we show that neuronal activity induces the binding of ephrinB2 and ApoER2 receptors at the postsynapse to regulate de novo insertion of AMPA receptors. Mechanistically, the multi-PDZ adaptor glutamate-receptor-interacting protein 1 (GRIP1) binds ApoER2 and bridges a complex including ApoER2, ephrinB2, and AMPA receptors. Phosphorylation of ephrinB2 in a serine residue (Ser-9) is essential for the stability of such a complex. In vivo, a mutation on ephrinB2 Ser-9 in mice results in a complete disruption of the complex, absence of ApoER2 downstream signaling, and impaired activity-induced and ApoER2-mediated AMPA receptor insertion. Using compound genetics, we show the requirement of this complex for long-term potentiation (LTP). Together, our findings uncover a cooperative ephrinB2 and ApoER2 signaling at the synapse, which serves to modulate activity-dependent AMPA receptor dynamic changes during synaptic plasticity.
Ocular gene therapy approaches have been developed for a variety of different diseases. In particular, clinical gene therapy trials for RPE65 mutations, X-linked retinoschisis, and choroideremia have been conducted at different centers in recent years, showing that adeno-associated virus (AAV)-mediated gene therapy is safe, but limitations exist as to the therapeutic benefit and long-term duration of the treatment. The technique of vector delivery to retinal cells relies on subretinal injection of the vector solution, causing a transient retinal detachment. Although retinal detachments are known to cause remodeling of retinal neuronal structures as well as significant cell loss, the possible effects of this short-term therapeutic retinal detachment on retinal structure and circuitry have not yet been studied in detail. In this study, retinal morphology and apoptotic status were examined in healthy rat retinas following AAV-mediated gene transfer via subretinal injection with AAV2/5.CMV.d2GFP or sham injection with fluorescein. Outer plexiform layer (OPL) morphology was assessed by immunohistochemical labeling, laser scanning confocal microscopy, and electron microscopy. The number of synaptic contacts in the OPL was quantified after labeling with structural markers. To assess the apoptotic status, inflammatory and pro-apoptotic markers were tested and TUNEL assay for the detection of apoptotic nuclei was performed. Pre- and postsynaptic structures in the OPL, such as synaptic ribbons or horizontal and bipolar cell processes, did not differ in size or shape in injected versus non-injected areas and control retinas. Absolute numbers of synaptic ribbons were not altered. No signs of relevant gliosis were detected. TUNEL labeling of retinal cells did not vary between injected and non-injected areas, and apoptosis-inducing factor was not delocalized to the nucleus in transduced areas. The neuronal circuits in the OPL of healthy rat retinas undergoing AAV-mediated gene transfer were not altered by the temporary retinal detachment caused by subretinal injection, the presence of viral particles, or the expression of green fluorescent protein as a transgene. This observation likely requires further investigations in the dog model for RPE65 deficiency in order to determine the impact of RPE65 transgene expression on diseased retinas in animals and men.