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Neuronal activity-dependent gene expression in learning and excitotoxicity

Oberländer, Kristin

German Title: Neuronale aktivitätsgesteuerte Genexpression während des Lernens und Exzitotoxität

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Abstract

Genes regulated by neuronal activity are the focal point of plasticity-related brain functions, thereby providing the basis for behavioural adaptations such as memory. Cellular functions of activity-regulated genes are diverse; several genes encode transcription factors thus regulating a wide range of downstream processes. Pro-survival genes such as Bdnf rendering neurons more resistant against cellular stress and degeneration are another important class of activity regulated genes. Due to those crucial functions, it is essential to understand the regulation and relevance of activity-induced genes under physiological conditions, but also their response to pathological signals like glutamate mediated excitotoxicity. To examine neuronal activity-dependent gene regulation in physiological as well as pathological environments, this thesis was divided into two parts.

The first part investigated whether activity-regulated gene expression is correlated with memory ability by comparing two inbred mouse strains, C57BL/6 and DBA/2. Robust spatial memory impairments were observed for DBA/2. However, the cognitive deficits in DBA/2 were not exclusive for this type of memory. Analysis of basic characteristics such as morphology and electrophysiological properties of CA1 pyramidal neurons, which are crucial for spatial memory formation, revealed no strain difference. Also, activity-dependent gene induction was mostly similar between the strains in cell culture and in vivo after a learning paradigm. Yet, two genes, Inhba and Npas4, showed significantly increased basal expression and increased induction in DBA/2 hippocampal regions, respectively. Since both genes are implicated in excitation/inhibition regulation, inhibitory neuronal input for CA1 neurons via mIPSC electrophysiological recordings was analysed and revealed decreased inhibition in DBA/2. Attenuated inhibition may underlie the DBA/2 learning impairment. Yet, dysregulation of single activity-regulated genes, in particular Inhba and Npas4, correlates with differences in memory ability and might be involved in dysfunction processes. The second part of this thesis analysed activity-dependent gene expression during the pathological condition of excitotoxicity. Intriguingly, differential response pattern of activity-dependent genes towards toxic NMDA stimuli were observed. Single genes like Inhba and Bdnf were intensely downregulated by NMDA-induced active deactivation processes, in contrast, rapid immediate early genes like Arc, Npas4 or Nr4a1 displayed no transcriptional shut-off during excitotoxicity. By analysing the activity of upstream kinases and transcription factors the mechanism underlying the differential regulation was investigated. Fast signalling kinases like ERK1/2 seem to depend predominantly on synaptic activity, transcription factors, however, were broadly dephosphorylated after NMDA application. Furthermore, additional experiments indicate that excitotoxicity-induced mitochondrial depolarization does not act as initiator of active transcriptional downregulation.

Together, the presented data illustrate that dysregulation of single activity-dependent genes occurs in a physiological model of memory impairment, but also under the pathological condition of excitotoxicity. Inhba might play an important role in both processes and for memory formation in general since it was dysregulated in both models which are implicated in memory attenuation.

Translation of abstract (German)

Gene, die durch neuronale Aktivität reguliert werden, sind essentiell für die Funktionalität und Plastizität des Gehirns und bilden dadurch die Grundlage für alle Adaptions- und Lernprozesse im Menschen. Die zelluläre Funktion dieser Gene ist divers, jedoch kodiert ein Großteil von ihnen selbst Transkriptionsfaktoren, die wiederum weitreichend Einfluss auf Signalwege haben. Eine weitere wichtige Gruppe aktivitäts-regulierter Gene sind Viabilitätsfaktoren, die die Resistenz von Neurone gegen zellulären Stress und Degeneration erhöhen. Da aktivitäts-regulierte Gene solch entscheidende Funktionen übernehmen, ist es wichtig Regulation und Relevanz einzelner Gene während physiologischer als auch pathologischer Prozesse zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde diese These in zwei Abschnitte aufgeteilt.

Zunächst wurde untersucht, ob eine Korrelation zwischen aktivitäts-abhängiger Genexpression und Lernvermögen besteht, indem zwei murine Inzuchtstämme, C57BL/6 und DBA/2, verglichen wurden. Zusätzlich zu einer eher allgemeinen Lernbeeinträchtigung, wurde in DBA/2 vermindertes räumliches Lernvermögen eindeutig festgestellt. Die Analyse grundlegender neuronaler Eigenschaften wie Morphologie und elektrophysiologische Charakteristika zeigten keine Unterschiede zwischen CA1 Pyramidalzellen der jeweiligen Stämme auf. Desweiteren konnte kein genereller Unterschied der Geninduktion in Zellkultur als auch nach einem Lernparadigma festgestellt werden. Einzig Inhba und Npas4 bildeten eine Ausnahme, da im DBA/2 Hippocampus jeweils basale Expression und Induktion erhöht sind. Für beide Gene wird eine Beteiligung in der Inhibitions- und Aktivierungsregulation berichtet. Aus diesem Grund wurde das eingehende inhibitorische Signal in CA1 Pyramidalzellen mittels mIPSC Messung ermittelt und festgestellt, dass DBA/2 verminderte Inhibition in dieser Region ausweisen. Es wird vermutet, dass diese verminderte Inhibition die eigentliche Ursache für das DBA/2 Lerndefizit ist, jedoch kann eine Beteiligung der Inhba und Npas4 Dysregulation nicht ausgeschlossen werden.

Die Feststellung, dass geringe Fehlregulation einzelner aktivitäts-regulierter Gene eventuell relevant für die Gehirnfunktion ist, gibt den folgenden Ergebnissen noch mehr Bedeutung. Unter pathologischer Exzitotoxität, welche im zweiten Abschnitt der These untersucht wurde, konnte eine differentielle Dysregulation der Gene beobachtet werden. Einzelne Gene wie Inhba und Bdnf wurden stark durch aktive Deaktivierungsprozesse während NMDA-Toxizität runter reguliert, hingegen zeigten Npas4 und Nr4a1 keine aktive Expressionsminderung. Um diese differentielle Regulation zu erklären, wurde der Aktivitätszustand von vorausgehenden Signalmolekülen untersucht. Es zeigte sich, dass cytoplasmatische Kinasen wie ERK1/2 eher auf synaptische Aktivität reagieren und Transkriptionsfaktoren generell währen NMDA-Toxizität dephosphoryliert werden. Zusätzliche Experimente weisen außerdem darauf hin, dass die Depolarisierung von Mitochondrien, die ebenfalls durch Exzitotoxität ausgelöst wird, nicht Auslöser der aktiven Runterregulation ist.

Zusammengefasst zeigen die präsentierten Daten, dass eine differentielle Dysregulation einzelner Aktivitäts-regulierter Gene in einem physiologischen Modell verminderter Gedächtnisbildung auftritt, als auch während pathologischen NMDA Signalen. Insbesondere Inhba scheint eine wichtige Rolle in der Gedächtnisbildung zu spielen, da es in beiden gedächtnismindernden Modellen dereguliert ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bading, Prof. Dr. Hilmar
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 20 February 2019
Date Deposited: 28 Feb 2019 13:14
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Räumliches Gedächtnis, Genexpression, NMDA-Rezeptor
Uncontrolled Keywords: Immediate Early Genes, Spatial Memory, DBA/2, C57BL/6, Excitotoxicity, CREB, Bdnf, Inhba, Npas4, Excitation-Inhibition balance
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