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Synaptic and extrasynaptic NMDA receptors in hippocampal neurons: regulation of nuclear shape and cell fate

Wittmann, Malte

German Title: Synaptische und extrasynaptische NMDA Rezeptoren in Neuronen des Hippokampus: Regulierung der Kernform und des Zellschicksals

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Abstract

Neuronal activity induces processes important for memory formation and cell survival by inducing calcium influx through synaptic NMDA receptors. Calcium subsequently activates the ERK-MAP kinase cascades that transmits the signal from the synapse to the nucleus. A second mode for synapse-to-nucleus communication involves a propagating calcium signal that invades the cell nucleus. Nuclear calcium is a key regulator of gene expression mediated by the transcription factor CREB. The nuclear architecture contains intranuclear structures that have been shown to facilitate calcium influx into the nucleus. This thesis describes a novel mechanism in which calcium influx through NMDA receptors induces morphological changes in the majority of hippocampal neurons by forming infoldings of the nuclear membrane. These infoldings are generated by an increase in the surface area of the nuclear membrane and require activation of the ERK-MAP kinase cascade as well as a nuclear calcium signal. Infoldings are formed rapidly within one hour and can be reversed by silencing of synaptic activity. The stability of infoldings increases within days after activation of synaptic NMDA receptors, suggesting the involvement of gene transcription in the stabilization process. Synaptic activity is counteracted by overactivation of extrasynaptic NMDA receptors. Calcium influx through these receptors leads to a rapid loss of nuclear infoldings. It also activates pathways leading to the shut-off of CREB and to cell death. I attempted to dissect the intracellular pathways downstream of synaptic and extrasynaptic NMDA receptors by designing a specific antagonist for extrasynaptic NMDA receptors. This should be achieved by coupling of Conantokin-G, a peptide antagonist against the NR2B subunit of NMDA receptors, to beads of a specific size. The peptide coupled to beads should allow blockade of extrasynaptic NMDA receptors and thereby block cell death pathways, leaving synaptic NMDA receptors unaffected.

Translation of abstract (German)

Neuronale Aktivität induziert durch Kalzium-Einstrom durch synaptische NMDA Rezeptoren intrazelluläre Prozesse die bei der Gedächtnisbildung und für das Überleben der Zelle eine entscheidende Rolle spielen. Das einströmende Kalzium aktiviert die ERK-MAP Kinase Kaskade die das Signal von der Synapse zum Kern weiterleitet. Eine zweiter Weg der Kommunikation von der Synapse zum Kern besteht in einem Kalziumsignal, das in den Zellkern eindringt. Kernkalzium ist ein zentraler Regulator der Genexpression die durch den Transkriptionsfaktor CREB gesteuert wird. Die Architektur des Zellkerns weist Strukturen im Inneren auf, die mit dem Kalzium-Einstrom in den Kern in Zusammenhang stehen. Diese Dissertation beschreibt einen neuen Mechanismus, bei dem in der Mehrzahl der Neuronen des Hippokampus durch Kalzium-Einstrom durch NMDA Rezeptoren morphologische Veränderungen in Form von Einfaltungen der Kernmembran induziert werden. Diese Einfaltungen werden durch eine Vergrößerung der Membranoberfläche erzeugt, wozu sowohl die Aktivierung der ERK-MAP Kinasekaskade als auch ein nukleäres Kalziumsignal nötig sind. Diese Einfaltungen werden innerhalb einer Stunde gebildet und können durch Ausschalten der synaptischen Aktivität rückgängig gemacht werden. Die Stabilität der Einfaltungen nimmt innerhalb mehrerer Tage nach Aktivierung der synaptischen NMDA Rezeptoren zu, was auf eine Beteiligung von Gentranskription am Prozess der Stabilisierung schließen läßt. Der Funktion synaptischer NMDA Rezeptoren wird durch eine Überaktivierung extrasynaptischer NMDA Rezeptoren entgegengewirkt. Kalzium-Einstrom durch diese Rezeptoren führt zu einem schnellen Verschwinden von Kerneinfaltungen. Außerdem aktiviert der Einstrom intrazelluläre Signalkaskaden die zum Ausschalten von CREB und zum Zelltod führen. Beschrieben wird hier zusätzlich der Versuch, diese intrazellulären Kaskaden, die durch synaptische und extrasynaptische NMDA Rezeptoren gesteuert werden, durch die Entwicklung eines spezifischen Antagonisten für extrasynaptische NMDA Rezeptoren zu analysieren. Dies sollte durch die Kopplung von Conantokin-G, einem Peptid das antagonistisch gegen die NR2B Untereinheit des NMDA Rezeptors wirkt, an Beads einer spezifischen Größe erreicht werden. Dieses an Beads gekoppelte Peptid sollte zu einer Inaktivierung der extrasynaptischen NMDA Rezeptoren und somit zur Blockade von Zelltod-Kaskaden führen, ohne die Funktion der synaptischen NMDA Rezeptoren zu beeinträchtigen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bading, Prof. Dr. Hilmar
Date of thesis defense: 19. September 2006
Date Deposited: 10. Oct 2006 14:31
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Nekrose, NMDA-Rezeptor, Kernstruktur, Zellkern, MAP-Kinase, Calcium, Konfokale Mikroskopie, Dreidimensionale Rekonstruktion
Uncontrolled Keywords: Kernform , Calciumsignal , Kerneinfaltung , synaptisch , extrasynaptischexcitotoxicity , synaptic NMDA receptor , nuclear infolding , 3D reconstruction , calcium dynamics
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