Wirkung des C-Typ natriuretischen Peptides (CNP) auf Metaplastizität im Hippokampus: Charakterisierung der Wirkung auf Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression und der zugrunde liegenden cGMP-Signalwege

Abstract

6\. Zusammenfassung Wirkung des C-Typ natriuretischen Peptides (CNP) auf Metaplastizität im Hippokampus Der Hippokampus ist der Teil des Gehirns, der die zentrale Umschalt- und Verarbeitungsstation des Informationsstroms aus der Umwelt zu ihrem Speicherort, dem Cortex darstellt, sofern räumliche Orientierung und Bildung eines deklarativen Gedächtnisses betroffen sind. Mit Hilfe von in vivo Elektrophysiologie wurde im Hippokampus eine langanhaltende Änderung synaptischer Transmission (Langzeitpotenzierung, Langzeitdepression) gefunden, welche fortan als zelluläres Korrelat für Lernen und Gedächtnis galt (Bliss und Lomo, 1973). Synaptische Plastizität wird durch eine Reihe von modulatorischen Neuropeptiden beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal demonstriert werden, dass das natriuretische Peptid CNP, welches im gesamten Hippokampus exprimiert wird (Herman et al., 1993; Langub et al., 1995) über den cGMP produzierenden Rezeptor, Guanylylzyklase B, synaptische Plastizität beeinflussen kann. Die Wirkung von CNP auf Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression wurde in der vorliegenden Arbeit in Area CA1 von akuten Hippokampusschnitten mit elektrophysiologischen Feldpotentialmessungen untersucht. CNP reduzierte die Langzeitpotenzierung gegenüber Kontrollschnitten und verstärkte gleichzeitig das Ausmaß der Langzeitdepression. CNP moduliert also bidirektionale Plastizität oder Metaplastizität im Hippokampus, indem es die LTP Induktion erschwert und gleichzeitig die LTD Induktion erleichtert was sich in einer Verschiebung der Schwellenwertfunktion nach rechts hin ausdrückt. Diese Modulierung scheint präsynaptisch eine Ursache in einer Veränderung der Transmitterfreisetzung zu haben. Eine mögliche postsynaptische Ursache für den Effekt von CNP ist die Modulierung der intrinsischen Erregbarkeit der pyramidalen Neurone in CA1, sowie eine Modulation GABAerger Netzwerke. Darüberhinaus moduliert CNP den „Paired pulse Index“, der ein Maß für die präsynaptische Transmitterfreisetzung ist. Die den beschriebenen physiologischen Effekten von CNP zugrunde liegenden Mechanismen betrachtete ich auf molekularer Ebene in einem primären, hippokampalen Zellkultursystem. Das Hormonpeptid CNP wirkt modulierend auf die Verteilung von Proteinclustern in der Prä-und Postsynapse. Dies wurde in Zellkultur mit Co-Immunofärbungen gegen ein extrazelluläres Epitop der AMPA Rezeptor Untereinheit GluR1 und einem Antikörper gegen das präsynaptische Vesikelprotein SynapsinI untersucht. Präsynaptisch beeinflusst CNP die Verteilung des Vesikelproteins SynapsinI, wodurch mögliche Veränderungen der Transmitterfreisetzung erklärt werden können. Dieser Effekt war ausgeprägter als nach einer Stimulation mit dem NO-Donor SNAP, der den cGMP-Spiegel über die lösliche Guanylylzyklase beeinflusst. Postsynaptisch verändert CNP die Oberflächenexpression der AMPA Untereinheit GluR1, die eine wichtige Rolle bei der Expression von Langzeitdepression und Langzeitpotenzierung spielt. Im Vergleich zu einer Stimulation mit SNAP ist der postsynaptische CNP Effekt deutlich schwächer. Schließlich hatte CNP auch eine Wirkung auf die Anzahl funktioneller Synapsen in pyramidalen Neuronen in Kultur. Das Hormonpeptid CNP scheint somit prä-und postsynaptisch über einen cGMP abhängigen Signalweg Metaplastizität und Kurzzeitplastizität im Hippokampus zu modulieren. In zukünftigen Experimenten kann die modulatorische Rolle von CNP auf synaptische Plastizität in Patch-Clamp Experimenten und in Zellkulturexperimenten mit pharmakologischen Blockern von Komponenten des cGMP-Signalwegs weiter aufgeklärt werden.

7\. Summary Effect of C-type natriuretic peptide (CNP) on metaplasticity in the hippocampus The hippocampus is the part of the brain that constitutes a central “relay station” of information flow from the environment to the cortex, as far as orientation and declarative memory are concerned. By in vivo electrophysiology the basic cellular mechanism of long lasting memory formation in the hippocampus was revealed and termed long term potentiation (Bliss and Lomo, 1973). Synaptic plasticity is modulated by several neuropeptides. In this thesis it could be demonstrated for the first time that the natriuretic peptide CNP, which is expressed throughout the hippocampus (Herman et al., 1993; Langub et al., 1995) is able to influences synaptic plasticity via the cGMP producing receptor guanylyl-cyclase B. The effect of the peptide hormone CNP on long term potentiation and long term depression in the hippocampus was investigated in acute, hippocampal slice preparations by extracellular field recordings in area CA1. It could be demonstrated that CNP decreases long term potentiation and increases long term depression. Due to these findings CNP modulates bidirectional plasticity or metaplasticity by impairing LTP and favoring LTD induction and thereby shifting the sliding threshold function to the right. This modulation seems to arise presynaptically from a change in transmitter release probability. A possible postsynaptic cause could be the change in intrinsic excitability of CA1 neurons as well as a GABAergic network modulation. Moreover CNP modulates short term plasticity by changing the paired pulse behavior of the presynapse which is a parameter accounting for presynaptic transmitter release. In primary cell culture I investigated possible signaling mechanism of the modulatory CNP effect on a molecular scale. The peptide hormone CNP modulates pre-and postsynaptic protein clusters in the cell culture system which was confirmed by co-immunostainings of surface expressed GluR1 AMPA receptor subunits and with an antibody against the presynaptic vesicular protein synapsinI. Presynaptically CNP influences the distribution of the vesicle Protein synapsinI, what could account for a change in transmitter release. It does so in a more pronounced fashion than after a stimulation with the NO donor SNAP, which increases the cGMP concentration via the soluble guanylyl- cyclase. At the postsynapse CNP changes the surface expression of the AMPA receptor subunit GluR1 which is a determining factor in the expression of long term potentiation and long term depression. This postsynaptic effect of CNP was smaller than the effect after a stimulation with SNAP. Finally CNP had an effect on the amount of functional synapses in cultured neurons. Taken together CNP seems to exert a profound effect on metaplasticity in the hippocampus via a pre-and postsynaptical, cGMP dependent modulation mechanism. Future experiments will reveal the modulatory effect of CNP on synaptic plasticity more precisely via patch-clamp experiments and in cell culture experiments with blockers of different components of the cGMP signaling pathways.