The Role of Piccolo in Cerebellar Network Organisation and the Aetiology of Pontocerebellar Hypoplasia Type 3

Abstract

Piccolo, a presynaptic active zone protein, is known for its role in the regulated assembly and function of vertebrate synapses. Genetic studies suggest a link to several psychiatric disorders as well as Pontocerebellar Hypoplasia Type 3 (PCH3). A Piccolo knockout rat model was recently generated by means of transposon mutagenesis (Pclogt/gt) [116]. During my doctoral studies, I sought to characterise this rat model. In doing so, I took an exploratory approach by beginning to examine overall changes in brain anatomy, narrowing the focus to the level of the network, synapse and the ultrastructure of the presynaptic terminal in the hope of elucidating some of the mechanisms involved in PCH3.

I found that the loss of Piccolo leads to a dramatic reduction in brain size compared to wildtype (Pclowt/wt) animals, attributed to a decrease in the size of the cerebral cortical, cerebellar and pontine regions. Moreover, the maturation of mossy fibre (MF) afferents, expression of the α6 GABAA receptor subunit at mossy fibre-granule cell synapses and the innervation of Purkinje cells by cerebellar climbing fibres are all perturbed in Pclogt/gt cerebella. Ultrastructural and functional studies revealed a reduced size and complexity of MF boutons, with fewer synaptic vesicles and changes in synaptic transmission. These data imply that Piccolo is required for the normal development, maturation and function of neuronal networks formed between the brainstem and cerebellum. Consistently, behavioural studies demonstrated that adult Pclogt/gt rats display impaired motor coordination, despite adequate performance in tasks that reflect muscle strength and locomotion. Together these data suggest that loss of Piccolo function in patients with PCH3 could be involved in many of the observed anatomical and behavioural symptoms, and that the further analysis of these animals could provide fundamental mechanistic insights into this devastating disorder.

Piccolo, ein Protein der präsynaptischen aktiven Zone, ist bekannt für seine Rolle im regulierten Aufbau und in der Funktion von Wirbeltier-Synapsen. Genetische Studien deuten auf eine Verbindung zu verschiedenen psychiatrischen Störungen, sowie zur Pontocerebellären Hypoplasie Typ 3 (PCH3) hin. Ein Piccolo-Knockout-Rattenmodell wurde vor Kurzem mittels Transposon-Mutagenese (Pclogt/gt) generiert [116]. Während meiner Doktorarbeit habe ich versucht, dieses Rattenmodell zu charakterisieren. Dabei verfolgte ich einen explorativen Ansatz, indem ich begann, die allgemeinen Veränderungen in der Anatomie des Gehirns zu untersuchen. Hierbei legte ich den Schwerpunkt auf die Ebene des Netzwerks, der Synapse und der Ultrastruktur des präsynaptischen Nervenendes, in der Hoffnung, einige der an PCH3 beteiligten Mechanismen aufzuklären.

Fand ich heraus, dass der Verlust von Piccolo zu einer dramatischen Verringerung der Hirngröße im Vergleich zu Wildtyp-Tieren (Pclowt/wt) führt, was auf eine Abnahme der Größe der Hirnrinde, des Kleinhirns und des Pons zurückzuführen ist. Darüber hinaus sind die Reifung der Moosfaser-Afferenzen, die Expression der α6 GABAA-Rezeptor-Untereinheit an den Synapsen zwischen Moosfasern und Körnerzellen und die Innervation der Purkinjezellen durch cerebellare Kletterfasern in Pclogt/gt Cerebella gestört. Ultrastrukturelle und funktionelle Studien ergaben eine reduzierte Größe und Komplexität der Moosfaser-Synapsen, mit weniger synaptischen Vesikeln und Veränderungen in der synaptischen Übertragung. Diese Daten implizieren, dass Piccolo für die normale Entwicklung, Reifung und Funktion der neuronalen Netzwerke, die zwischen Hirnstamm und Kleinhirn gebildet werden, erforderlich ist. Übereinstimmend haben Verhaltensstudien gezeigt, dass erwachsene Pclogt/gt Ratten, trotz adäquater Leistung bei Aufgaben, die Muskelkraft und Fortbewegung widerspiegeln, eine beeinträchtigte motorische Koordination aufweisen. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Verlust der Funktion von Piccolo bei Patienten mit PCH3 an vielen der beobachteten anatomischen und verhaltensbezogenen Symptome beteiligt sein könnte und dass die weitere Analyse dieser Tiere grundlegende mechanistische Erkenntnisse über diese verheerende Erkrankung liefern könnte.