Zelluläre und molekulare Aspekte der synaptischen Transmission und Plastizität der hippokampalen Moosfasersynapse

Abstract

In der vorliegenden kumulativen Habilitationsschrift wurden verschiedene Aspekte der synaptischen Kurzzeit- und Langzeitdynamik an unterschiedlichen synaptischen Verbindungen des Hipppocampus untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Moosfasersynapse. An der Moosfasersynapse konnte zunächst demonstriert werden, dass Adenosin eine tonische Hemmung von spannungsabhängigen Kalziumkanälen vermittelt. Es konnte die Modulation der P/Q- und N-Typ Kanäle pharmakologisch eingegrenzt werden. Über diesen Mechanismus wird auf extrinsische Weise die Freisetzungswahrscheinlichkeit an dieser Synapse auf einem niedrigen Niveau gehalten, was wiederum zu den Voraussetzungen für die besonders stark ausgeprägte Fazilitierungsdynamik gehört. Im Vergleich hierzu erfolgt die Einflussnahme von Munc13-2 auf die Freisetzungswahrscheinlichkeit auf intrinsischem Wege. Dieses Protein konnte als Bestandteil des Freisetzungsapparates als besonders bedeutsam für die Moosfasersynapse nachgewiesen werden. Der Verlust von Munc13-2 in einer Deletionsmutante führte zu eine deutlich verringerten Freisetzungswahrscheinlichkeit und als Konsequenz zu einer stark erhöhten Kurzzeitfazilitierung an den Moosfasern. Die Langzeitplastizität hingegen war durch den Verlust von Munc 13-2 nicht beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu waren die Kernparameter der synaptischen Transmission an drei weiteren hippokampalen Synapsen, nämlich Schaffer-Kollateral-, Assoziational-Komissural-, sowie inhibitorischen Synapsen auf CA3 Pyramidenzellen durch den Verlust von Munc13-2 unbeeinträchtigt. Eine weitere bedeutsame Einflussgrösse an den Moosfaserterminalen stellen ionotrope glutamaterge Autorezeptoren vom Kainattyp dar. Diesbezüglich konnte in der vorliegenden Arbeit demonstriert werden, dass die GluK6 Untereinheit entscheidender Bestandteil der Zusammensetzung des präsynaptischen Kainatrezeptors ist und nicht wie vielfach postuliert die GluK5 Untereinheit. Die Aktivierung der GluK6 enthaltenden KAR trägt sowohl zur Kurzzeitdynamik an der Moosfasersynapse bei als auch zum Setzen der Induktionsschwelle für die Langzeitplastizität. Eine Involvierung von intrazellulären Kalziumspeichern in der durch KAR initiierten Signalkaskade konnte hier experimentell nicht nachgewiesen werden. Die präsynaptischen ionotropen Kainatrezeptoren sind darüber hinaus auch für die Vermittelung einer präsynaptischen Form der Assoziativität an Moosfasersynapsen bedeutsam. Die Existenz dieses wichtigen Charakteristikums der Langzeitpotenzierung war für die Moosfasersynapse lange Zeit fraglich geblieben. Die Rolle der KAR für die Kooperativität zwischen Moosfasern als auch für die Assoziativität zwischen AC- und Moosfasersynapsen konnte hier durch den Einsatz entsprechender Stimulationsprotokolle sowie mittels pharmakologischer Werkzeuge erstmalig demonstriert werden. Eine andere ungeklärte Frage betraf die Quelle des für die Induktion der Moosfaser-LTP notwendigen präsynaptischen Kalziumioneninflux. In diesem Zusammenhang gelang es den R-Typ Kalziumkanal als wesentlich zu identifizieren. Ebenso wie im Falle des präsynaptischen Kainatrezeptors besteht auch für den R-Typ Kalziumkanal allerdings keine absolute Notwendigkeit für die Auslösung der LTP. Induktionsprotokolle höherer Intensität sind in der Lage andere Quellen für den Kalziuminflux (P/Q- und N-Typ Kanäle) zu rekrutieren. Die Induktionsschwelle wird allerdings durch die R-Typ Kanäle herabgesetzt. Interessanterweise scheint die basale synaptische Transmission an Moosfasern weitgehend unabhängig von R-Typ Kanälen zu sein. Ein weiterer Gegenstand der vorgelegten Untersuchungen betraf die mögliche Funktion der Proteine 4.1N und 4.1G im Zuge der postsynaptischen Expression von Langzeit-Potenzierung an Schaffer-Kollateral-Synapsen. Es konnte keine Beteiligung dieser beiden Paraloge am Transport von AMPAR-Untereinheiten in die postsynaptische und extrasynaptische Membran nachgewiesen werden, obgleich Vorbefunde dies nahegelegt hatten. Vielmehr scheint eine ausgeprägte funktionelle Redundanz der 4.1 Paraloge vorzuliegen, so dass erst das Fehlen aller zerebral exprimierten Paraloge zu einem elektrophysiologisch detektierbaren Phänotyp führt.

In this cumulative thesis varius aspects of synaptic short-term as well as long-term plasticity were studied at different synaptic connections of the hippocampus of rodents. The main focus of the work was directed towards the mossy fiber synapse. At the mossy fiber synapse it could be demonstrated that adenosine leads to a tonic inhibition of voltage dependent calcium channels. A modulation of both P/Q- and N-type channels could be dissected by pharmacological means. Through this mechanism the release probability at this synapse is extrinsically maintained at a low level which in turn is a prerequisite for the synapse´s pronounced short-term dynamics. In comparison Munc13-2 influences the release probability in an intrinsic fashion. This active zone protein was found to be of special importance at the mossy fiber synapse. Loss of Munc13-2 in deletion mutants resulted in a severe reduction of the release probability and consequently to a strongly enhanced short-term facilitation at mossy fibers. Long-term plasticity was unaffected by the deletion of Munc13-2. In contrast the basic parameters of synaptic transmission at three other hippocampal synapses, namely Schaffer collateral, associational-commissural as well as inhibitory synapses onto CA3 pyramidal neurons, were unimpaired by the loss of Munc13-2. Another important factor at mossy fiber terminals are kainate autoreceptors which belong to the group of ionotropic glutamate receptors. In this context, it could be demonstrated in the present study that the GluK6 subunit constitutes a crucial component of the presynaptic kainate receptors, whereas the GluK5 subunit seems not relevant. Activation of GluK6 containing kainate receptors substantially contributes to the short-term dynamics at mossy fiber synapses as well as to setting the induction threshold for long-term plasticity. An involvement of intracellular calcium stores in the kainate receptor triggered signaling cascade could not be expermientally detected in this work. Moreover presynaptic ionotropic kainate receptors participate in mediating a presynaptic form of associativity at mossy fiber synapses. The existence of this important characteristic of long-term potentiation was questioned for a long time for mossy fiber synapses. Another important question concerned the source of the presynaptic calcium which is necessary for the induction of mossy fiber long-term potentiation. In this regard we were able to identify the R-type voltage dependent calcium channel as fundamental. As for the presynaptic kainate receptor there is also no absolute requirement for the R-type calcium channel for induction of long-term potentiation. Higher intensity induction protocolls are capable of recruiting other calcium sources for calcium influx (namely P/Q-type and N-type channels). But he induction threshold is substantially lowered by R-type channels. Interestingly basal synaptic transmission at mossy fiber synapses seems independent of R-type channels. Another topic of the investigations presented here regarded the possible role of proteins 4.1N and 4.1G in the postsynaptic expression of long-term potentiation at Schaffer collateral synapses. We were unable to detect any participation of either paralog in the transport of AMPA receptor subunits into the postsynaptic or extrasynaptic membrane, despite published results hinting at this possibility. It rather seems that there exists a strong functional redundancy of the 4.1 paralogs. For this reason only the loss of all cerebrally expressed paralogs may lead to an electrophysiologically detectable phenotype.