Function of the PDZ-domain containing protein family of PSD-MAGUKs in AMPA receptor targeting to excitatory synapses

Abstract

The majority of excitatory transmission in the vertebrate central nervous system is communicated through synapses that use the amino acid glutamate as neurotransmitter. Glutamate is the ligand for a large number of receptor molecules that can be separated into metabotrophic and ionotrophic glutamate receptors, according to their ability to conduct ions. AMPA receptors (AMPAR), a subgroup of ionotrophic glutamate receptors, carry the majority of ion flux at theses synapses. Their number determines the strength of a given synapse. Changes in synaptic strength are viewed as a potential molecular mechanism of learning and memory. The proteins targeting and anchoring AMPAR and determining their number at a synapse are poorly understood. This study focuses on a family of membrane associated guanylate kinase (MAGUK) proteins that are abundant at the post-synaptic densities (PSD) of excitatory synapses, named PSD-MAGUKs. The four PSD-MAGUKs, PSD-95, PSD-93, SAP97 and SAP102 are highly homologous. Overexpression of PSD-95, PSD-93 and SAP102 causes enhanced synaptic recruitment of AMPAR. Surprisingly, none of the PSD-MAGUK knock-out mice show a deficit in AMPAR transmission. Through a combinational approach utilizing gene targeted deletion mouse mutants and acute loss of expression using RNA interference, this study establishes PSD-95 and PSD-93 as jointly responsible for AMPAR targeting to mature synapses of the hippocampus. Unexpectedly, they function at mostly non-overlapping synapse populations. SAP102 is the dominant PSD-MAGUK during early development and can partially compensate for loss of PSD-95 and PSD-93. This study establishes PSD-MAGUKs as central factors maintaining synaptic strength.

Der Grossteil der exzitatorischen Signalweiterleitung an Synapsen des zentralen Nervensystems von Säugetieren wird durch den Neurotransmitter Glutamat übermittelt. Glutamat wird von der Präsynapse ausgeschüttet und dient als Ligand für vornehmlich postsynaptische Glutamatrezeptoren. Glutamatrezeptoren werden anhand ihrer Fähigkeit Ionen zu leiten, in metabotrophe und ionotrophe Rezeptoren unterteilt. Eine Untergruppe der ionotrophen Glutamatrezeptoren sind die AMPA Rezeptoren. Da sie den grössten Anteil an liganden induziertem Ionenfluss in glutamatergen Synapsen leiten, bestimmt die AMPA Rezeptorenanzahl die Stärke einer Synapse. Veränderung der synaptischen Stärke wird als ein möglicher molekularer Mechanismus von Lernen und Gedächtnisbildung angesehen. Die Faktoren, die AMPA Rezeptoren in der Synapse verankern und dort ihre Anzahl bestimmen, sind unzureichend verstanden. In dieser Arbeit wird eine Unterfamilie der Membran-assoziierten Guanylat Kinasen (MAGUK) und ihr Einfluss auf die Verankerung synaptischer AMPA Rezeptoren untersucht. Die vier hochgradig homologen MAGUKs, PSD-95, PSD-93, SAP97 und SAP102 sind in der sogenannten post-synaptischen Dichte (PSD) angereichert und werden im Weiteren PSD-MAGUKs genannt. Überexpression von PSD-95, PSD-93 und SAP102, jedoch nicht von SAP97, führt zu einer dramatischen Anreicherung von AMPA Rezeptoren in Synapsen. Im Gegensatz dazu zeigt keine der erzeugten PSD-MAGUK Knock-out Mäuse ein Defizit der basalen AMPA Rezeptor vermittelten synaptischen Signalweiterleitung. Durch Kombination mehrerer Mausmutanten und RNA Interferenz vermitteltem acutem Expressionsverlust wird gezeigt, dass PSD-95 und PSD-93 gemeinsam für die Verankerung von AMPA Rezeptoren in Synapsen des Hippocampus von adulten Mäusen verantwortlich sind. Interessanterweise nehmen PSD-95 und PSD-93 ihre Funktion an nicht überlappenden Subpopulationen von Synapsen wahr. Bevor PSD-95 und PSD-93 ausreichend exprimiert werden, füllt SAP102 ihre Funktion in der frühen postnatalen Entwicklung aus und kann für den Verlust von PSD-95 und PSD-93 teilweise kompensieren. Gemeinsam bestimmen PSD-MAGUKs somit die Stärke von Synapsen im Hippocampus.