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Genetic investigations into the role of ionotropic glutamate receptors in hippocampal learning

Bus, Thorsten

German Title: Genetische Modifikationen ionotroper Glutamatrezeptoren und ihre Auswirkungen in hippokampalem Lernen

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Abstract

AMPA and NMDA receptors are ionotropic glutamate receptors, respectively sensitive to the glutamate analogue alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) or N-methyl-D-aspartate (NMDA), and are essential for hippocampus-dependent learning and memory. As indicated by global and forebrainspecific mutant mouse models of AMPA and NMDA receptors, distinct molecular mechanisms coexist in the dorsal hippocampus, underlying spatial behavior in working and reference memory tasks. The present study is focused on the main ionotropic glutamate receptors (AMPA receptors with GluR-A or GluR-B subunit or NMDA receptors) in principal neurons (DG, CA1, CA2) of the hippocampus in adult mice and the role of these receptors in spatial working and reference memory. Cre recombinase expression in restricted sublayers of the hippocampal formation and the olfactory system was achieved by the use of transgenes of mouse lines TgCN12-itTA and TgLC1 employing the tet-system to prevent widespread recombination in the mouse embryo. Minor recombination, monitored by the use of gene-targeted Rosa26R mice, accumulated in additional forebrain structures but remained sparsely located in one-year-old mice. By employing the TgCN12-itTA / TgLC1 mouse model to deplete GluR-A in Gria1ΔHipOlf mice, GluR-B in Gria2ΔHipOlf mice or all NMDA receptors by NR1 ablation in Grin1ΔHipOlf mice, excitatory neurotransmission was modified in three major ways. Depletion of these receptor subunits was observed with similar spatial and temporal specificity in hippocampal sublayers of adult mice. With these three iGluRΔHipOlf mouse models in hands, behavioral consequences were investigated in spatial working and reference memory tasks in two independent laboratories (Heidelberg, Germany; Oxford, England). Unexpected from our previous observations (Reisel et al. 2002), GluR-A depleted Gria1ΔHipOlf mice performed well in all cognitive tasks of spatial working behavior independent of delay and task composition. However, Gria1ΔHipOlf mice still expressed hyperactivity in a novel environment and little spontaneous alternation. In contrast, GluR-B depletion in Gria2ΔHipOlf mice became manifest in impairment in spatial working memory. Unfortunately, testing of spatial reference memory in Gria2ΔHipOlf mice is still missing. Grin1ΔHipOlf mice exhibited delay- and task-dependent impairment of the IV spatial working memory and in reversal reference learning. Nevertheless, the acquisition of spatial reference memory in Morris watermaze and Y-maze was not affected upon NR1 depletion in dorsal CA1, CA2 and the entire DG subfield of the hippocampal formation. In summary, genetic manipulation of the main ionotropic glutamate receptors in the three mutant mouse models Gria1ΔHipOlf, Gria2ΔHipOlf and Grin1ΔHipOlf demonstrated the essential role of AMPA receptors containing the GluR-B subunit and NMDA receptors in principal DG, CA1 and CA2 neurons of the hippocampal formation in spatial working memory. Spatial reference memory, however, was still intact upon depletion of AMPA receptors containing the GluR-A subunit in Gria1ΔHipOlf mice and NMDA receptors in Grin1ΔHipOlf mice.

Translation of abstract (German)

L-α-Amino-3-Hydroxy-5-Methylisoxazol-4-Propionsäure (AMPA) und N-Methyl-DAspartat (NMDA) Rezeptoren gehören zu der Familie der ionotropen Glutamatrezeptoren, die erregende Signalweiterleitung im Zentralen Nervensystem vermitteln und an vielen Mechanismen beteiligt sind, die dem kognitiven Lernen und Gedächtnis unterliegen. Mit Hilfe genetischer Manipulationen dieser Rezeptoren, sowohl global in allen Zellen der Maus, als auch spezifisch in Prinzipalneuronen des Vorderhirns, wurden molekulare Mechanismen im dorsalen Hippokampus unterschieden, die dem Referenz- und dem Arbeitsgedächtnis im räumlichen Verhalten zugrunde liegen. In dieser Doktorarbeit wird die Beteiligung der hauptsächlichen ionotropen Glutamat- Rezeptoren (AMPA Rezeptoren, die GluR-A oder GluR-B enthalten und NMDA Rezeptoren) in Prinzipalneuronen spezifischer Hippokampusregionen (DG, CA1 und CA2) in diesen prominenten Gedächtnisformen in erwachsenen Mäusen untersucht. Gezielte genetische Manipulation mittels Cre Rekombinase in spezifischen Regionen der Hippokampalen Formation und des Olfaktorischen Systems wurde durch die Kombination von transgenen Mäusen der Linien TgCN12-itTA und TgLC1 erreicht, die basierend auf dem zeitlich regulierbaren tet-Sytem eine Rekombination im gesamten Vorderhirn in embryonalen Stadien verhindern. Die sukzessive zeitliche Anhäufung von Rekombinationsereignissen wurde mit Hilfe der genetisch veränderten Rosa26R Maus (Soriano et al., 1999) sichtbar gemacht. Rekombination wurde zwar auch in weiteren Teilen des Vorderhirns beobachtet, jedoch waren nur sehr wenige Nervenzellen betroffen. Diese Spezifität blieb auch noch in einjährigen Mäusen erhalten. Die Herstellung von Mausmodellen für die drei prominenten Glutamatrezeptor- Untereinheiten im Hippokampus (GluR-A in Gria1ΔHipOlf; GluR-B in Gria2ΔHipOlf; NR1 in Grin1ΔHipOlf Mäusen) ermöglichte es, die erregende Signalweiterleitung in drei entscheidenden Eigenschaften mit relativ gleicher räumlicher und zeitlicher Spezifität im erwachsenen Mausgehirn genetisch zu verändern. Die Mausmodelle Gria1ΔHipOlf, Gria2ΔHipOlf und Grin1ΔHipOlf wurden in verschiedenen Tests auf räumliches Arbeits- und Referenzgedächtnis untersucht. Unerwartet von früheren Beobachtungen (Reisel et al, 2002) zeigten Gria1ΔHipOlf Mäuse keinerlei Beeinträchtigung im räumlichen Arbeitsgedächtnis. Jedoch werden II sie, wie globale GluR-A KO Mäuse, hyperaktiv in neuen Umgebungen, und alternierten wenig im spontanen T-Maze Test. Im Gegensatz dazu zeigten Gria2ΔHipOlf Mäuse ein vermindertes Arbeitsgedächtnis unter Standardbedingungen. Das Entfernen der NMDA Rezeptoren in hippokampalen Regionen der Grin1ΔHipOlf Mäusen führte zu einem differenzierteren Phänotyp. Grin1ΔHipOlf Mäuse konnten sich an räumliche Informationen im T-Maze für etwa drei Sekunden erinnern und entsprechend handeln, aber nicht mehr nach einer Minute. Entgegen einer populären Hypothese, lernten Grin1ΔHipOlf Mäuse die Position einer verdeckten Plattform im Morris Wasserlabyrinth im mehrtägigen Versuchsprotokoll. Allerdings hatten sie anschließend mehr Schwierigkeiten als ihre Kontrollmäuse, eine neue Position für die Fluchtmöglichkeit aus dem Wasser zu erlernen. Mit Hilfe genetischer Manipulation der hauptsächlichen Glutamatrezeptoren in den drei Mausmutanten Gria1ΔHipOlf, Gria2ΔHipOlf and Grin1ΔHipOlf wurde aufgezeigt, daß AMPA Rezeptoren, die GluR-B enthalten und NMDA Rezeptoren in DG, CA1 und CA2 Prinzipalneuronen der hippokampalen Formation essentiell am räumlichen Arbeitsgedächtnis beteiligt sind. AMPA Rezeptoren, die GluR-A enthalten und NMDA Rezeptoren in diesen Nervenzellen scheinen jedoch nicht am räumlichen Referenzgedächtnis beteiligt zu sein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Seeburg, Prof. Dr. Peter H.
Date of thesis defense: 30. November 2009
Date Deposited: 19. Mar 2010 07:39
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Arbeitsgedächtnis, Kognitives Lernen, Gentechnologie
Uncontrolled Keywords: ionotropic glutamate receptors , gene recombination , transgenic mice , cognitive behavior , spatial learning and memory
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