Für die Konsolidierung der synaptischen Plastizität und des Langzeit- Gedächtnisses wird die Biosynthese der mRNAs und Proteine benötigt. Eine der zentralen Fragestellungen im Bereich der Neurowissenschaften beschäftigt sich daher mit der Identifizierung aktivitätsregulierter Gene und der Charakterisierung ihrer Funktion bei den aktivitätsinduzierten Prozessen der synaptischen Plastizität. Arc/Arg3.1 wurde vor 13 Jahren als unmittelbar frühes Gen nach neuronaler Aktivität in unserem Labor identifiziert. Besonders bemerkenswert ist, dass nach der robusten Induktion der Arc/Arg3.1-Expression die Arc/Arg3.1-mRNA in die Dendriten transportiert wird und dort selektiv im Bereich der aktivierten Synapsen akkumuliert. Die dendritische Lokalisation der Transkripte bietet die Möglichkeit zur lokalen Translation von Arc/Arg3.1 an der Synapse und kann zu aktivitätsinduzierten synapsenspezifischen Modifizierungen beitragen. Die essentielle Rolle von Arc/Arg3.1 für die Konsolidierung der synaptischen Plastizität und des Langzeit-Gedächtnisses wird durch die elektrophysiologischen und Verhaltensphenotypen der Arc/Arg3.1 -Knockout-Mäuse bestätigt. Um die funktionelle Rolle der dendritischen Translation der Arc/Arg3.1-mRNA in vivo zu untersuchen wurde in dieser Arbeit eine transgene (tg) Mauslinie mit dem Arc/Arg3.1-Knockout-Hintergrund generiert. Die tg-Mäuse tragen ein P1 derived artificial chromosome (PAC), in dem die 3’UTR-Sequenz des Arc/Arg3.1-Gens mit der 3’UTR-Sequenz des egr1/zif268-Gens ausgetauscht und demzufolge die dem dendritischen mRNA- Transport benötigten Sequenz mutiert wurde. Die Verhinderung des dendritischen mRNA-Transports wurde durch in situ Analyse bestätigt. Die Expressionsanalysen des Arc/Arg3.1-Proteins zeigten aber überraschenderweise eine unveränderte konstitutive Arc/Arg3.1-Expression in den Postsynapsen der tg-Mäuse auf. Das Arc/Arg3.1-Protein ist in den Dendriten lokalisiert, in der PSD angereichert und über das Gerüstprotein PSD-95/SAP90 mit dem postsynaptischen Proteinnetzwerk assoziiert. Diese experimentellen Befunde liefern uns einen spannenden Hinweis, dass das Arc/Arg3.1-Protein neben der dendritischen Translation auch über einen Mechanismus des aktiven Protein-Transports zielgerichtet in die Postsynapsen verteilt werden kann. Der Zeitverlauf der Gedächtniskonsolidierung in den tg-Mäusen während der kontextabhängigen Angstkonditionierung macht den spezifischen Beitrag der dendritischen Arc/Arg3.1-mRNA-Expression sichtbar. Die tg-Tiere zeigten eine selektive Reduktion des intermediären Gedächtnisses (24 h), während ihr Langzeit- Gedächtnis (2 Wochen) unbeeinträchtigt ist. Daher wurde zum ersten Mal im Säugetier eine intermediäre Phase des hippokampusabhängigen Gedächtnisses nachgewiesen, die von der dendritischen Arc/Arg3.1-Synthese abhängig ist. Darüber hinaus wurde aufgrund des unveränderten Langzeit-Gedächtnisses in den tg-Mäusen und des vollständigen Verlusts des Langzeit-Gedächtnisses in den ko- Mäusen die wesentliche Bedeutung des somatisch synthetisierten Arc/Arg3.1-Proteins für die langfristige Gedächtnis-Retention sichtbar. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse erlauben uns, ein neues, zelluläres Modell für die Arc/Arg3.1-abhängige Gedächtnis-Speicherung vorzustellen.
Local protein synthesis in dendrites is thought to play an important role in enduring forms of synaptic plasticity. Arc/Arg3.1 transcription is robustly induced by LTP-producing stimulation and the mRNA is transported to dendrites. Within dendrites Arc/Arg3.1 mRNA can be specifically targeted to stimulated synaptic areas, suggesting that it may be translated on site. Consolidation of long-lasting synaptic plasticity and memories is strongly impaired in Arc/Arg3.1 knockout (ko) animals. To test the functional role of dendritic mRNA transport of Arc/Arg3.1 in vivo, we generated a transgenic (tg) mouse line in the ko-background. The tg mouse harbors a P1 derived artificial chromosome (PAC) in which we mutated the sequence required for dendritic mRNA targeting. Surprisingly, in these animals Arc/Arg3.1 protein was still present in dendrites and in postsynapses. However, behavioral studies indicate striking deficits in the formation of intermediate-term but not long-term memories. The results of this thesis provide the basis for a novel model of memory consolidation in mammals.
