The role of RIM1alpha in synaptic plasticity at the cerebellar parallel fiber

Abstract

Synaptic plasticity is a core feature of neuronal communication. It describes the activity- dependent change of the strength of synaptic transmission. Dependent on the duration of the transmission alteration synaptic plasticity is commonly divided into short-term and long-term plasticity. Whereas long- term plasticity is based on molecular changes at the presynaptic and/or postsynaptic site, factors influencing short-term plasticity are predominantly located at the presynapse. There, basic synaptic transmission and activity- dependent plasticity are governed at the active zone. This is a presynaptic plasma membrane patch with a complex protein network where vesicles are docked and primed, meaning that the required release machinery is assembled together with the vesicle and voltage-dependent Ca2+-channels. This protein network ensures the spatiotemporally highly regulated process of action potential triggered Ca2+-influx and the subsequent exocytosis of neurotransmitter filled vesicles. In this work we focused on the presynaptic protein RIM1alpha, a core component of the multiprotein complex at the active zone. Dependent on the type of synapse tested, previous studies have shown RIM1alpha to either alter short-term plasticity or to be an essential mediator of presynaptic long-term plasticity or both. Combining electrophysiological analysis of release properties and synaptic plasticity with two- photon calcium imaging at the cerebellar granule cell synapse we could show that the loss of the single isoform RIM1alpha already leads to a significant reduction in action potential triggered Ca2+- influx at axonal boutons. As a consequence the release probability is reduced and short-term plasticity is enhanced. In contrast we could not find any difference in the expression of presynaptic long-term plasticity. To further test this finding, we mimicked the reduction of Ca2+- influx found in RIM1alpha KO mice by reducing the external Ca2+-concentration. The resulting lower intracellular Ca2+-concentration does not fall below but comes close to the threshold of inducibility of long-term plasticity. Our results argue against an indispensable role of RIM1alpha in the expression of long-term plasticity but indicate a rather universal role of the protein in interacting with voltage-dependent Ca2+-channels to enable proper synaptic neurotransmitter release. In addition, we found a significant difference between the Ca2+-influx in boutons of the ascending compared to the parallel fiber segment of granule cell axons, which adds additional information to previous studies that showed differential synaptic properties of these two axonal segments as well.

Synaptische Plastizität beschreibt die aktivitätsabhängige Änderung der Stärke synaptischer Transmission und stellt ein Hauptmerkmal neuronaler Kommunikation dar. Abhängig von der Dauer der Transmissionsänderungen wird sie in Kurzzeit- und Langzeitplastizität unterteilt. Während Langzeitplastizität auf molekularen Änderungen der prä- und/oder postsynaptischen Seite basiert, sind die beeinflussenden Faktoren für Kurzzeitplastizität hauptsächlich präsynaptisch. Dort werden synaptische Transmission und aktivitätsabhängige Plastizität an der aktiven Zone reguliert. Diese Zone ist ein präsynaptischer Abschnitt der Plasmamembran welcher mit einem komplexen Proteinnetzwerk versehen ist. Sie dient dem Andocken und der Vorbereitung von synaptischen Vesikeln zur Neurotransmitterfreisetzung, welches die Zusammenführung der Vesikel mit dem Freisetzungsapparat und dem Ca2+-Kanal beinhaltet. Das Proteinnetzwerk stellt dabei den räumlich und zeitlich sehr genau regulierten Prozess des durch ein Aktionspotential ausgelösten Ca2+-Einstroms, mit anschließender Exozytose des neurotransmittergefüllten Vesikels sicher. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem präsynaptischen Protein RIM1alpha, welches eine Hauptkomponente des Proteinkomplexes der aktiven Zone darstellt. Vorherige Studien konnten zeigen, dass RIM1alpha abhängig von der getesteten Synapse entweder Kurzeitplastizität verändert oder präsynaptische Langzeitplastizität vermittelt oder beides. Durch die Kombination von elektrophysiologischen Analysen der synaptischen Transmission und Freisetzungswahrscheinlichkeit zusammen mit 2-Photonen Ca2+-Messungen an der zerebellaren Körnerzellsynapse konnten wir zeigen, dass bereits das Fehlen der Isoform RIM1alpha zu einer signifikanten Reduktion des Ca2+-Einstroms in axonalen Boutons führt. Infolgedessen ist die Freisetzungswahrscheinlichkeit reduziert und die Kurzeitplastizität erhöht. Dahingegen konnten wir keine Unterschiede in der Expression von präsynaptischer Langzeitplastizität feststellen. Zur weiteren Überprüfung der Befunde wurde der reduzierte Ca2+-Einstrom durch eine Reduktion der extrazellulären Ca2+-Konzentration nachgeahmt. Die daraus resultierende, niedrigerer intrazelluläre Ca2+-Konzentration unterschritt die Grenze der Induzierbarkeit von Langzeitplastizität nicht, kam ihr jedoch nahe. Unsere Ergebnisse sprechen gegen eine unabdingbare Rolle von RIM1alpha in der Expression von präsynaptischer Plastizität. Stattdessen weisen sie auf eine universellere Rolle des Proteins in der Interaktion mit spannungsabhängigen Ca2+-Kanälen hin, welche gewährleistet, dass die synaptische Freisetzung von Neurotransmittern exakt erfolgt. Des weiteren wurde ein bedeutender Unterschied im Ca2+-Einstrom in den Boutons zwischen dem aufsteigenden Astes und denen des Parallelfasersegments von Körnerzellaxonen festgestellt. Dies ist eine zusätzliche Information ergänzend zu vorherigen Studien, welche bereits unterschiedliche synaptische Eigenschaften der beiden axonalen Segmente zeigen konnten.