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Molecular alterations of AMPA receptors and their effects on hippocampus dependent tasks

Marx, Verena

German Title: Molekulare Veränderungen von AMPA-Rezeptoren und ihre Auswirkugen auf hippokampusabhängige Aufgaben

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Abstract

I investigated the role of C-terminal domain modifications in GluR-A mediated behavioral function using several hippocampus dependent behavioral tasks, ranging from neophobia to spatial reference memory, in a variety of genetically modified mice. Studies using GluR-A knock-out (GluR-A-/-) mice showed that GluR-A containing AMPA receptors are required for working memory, strengthened by those findings that expression of a transgenic GluR-A subunit in the forebrain of GluR-A-/- mice partially rescues this memory deficit. In a spatial reference memory task GluR-A-/- mice learn as good as wild types. These results suggest that the GluR-A subunit is differentially involved in memory formations, and its lack in the dorsal hippocampus alters the mnemonic ability of the animals. Understanding the mechanisms by which GluR-A contributes to encoding sensory information in time, requires targeted alteration of the C-terminal domain of the GluR-A subunit. With the help of genetically engineered mice I studied three positions within the C-terminal domain, where phosphorylation of the subunit and interaction with the PDZ binding proteins take place. These lines expressed either an altered or a wild type transgenic GluR-A subunit in GluR-A-/- mice. In SA mice, the transgenetically expressed GluR-A had substitutions of serine against alanine at the phosphorylation sites S831 and S845. TG mice carried a transgene for a GluRA subunit where the last C-terminal amino acid was deleted, which resulted in interruption of the PDZ interaction domain with the post-synaptic density proteins. The third line expressed transgenically the wild type GluR-A subunit and served as a control line. After determining the contribution of different parts of the C-terminal domain to GluR-A dependent function, I studied the mice lacking GluR-B (GluR-A-/-/BΔFb) or both subunits (GluR-A-/-/BΔFb) in hippocampal tasks. In contrast to the GluR-A deletion the GluR-B deletion was aimed to be restricted to the forebrain. GluR-A-/-/BΔFb mice were used to study synergistic effects of GluR-A and GluR-B deletion in the hippocampal dependent tasks. In a last group of experiments, I questioned the specificity of the hippocampal phenotypes to the AMPA receptor function using mice engineered to express Homer1a constitutively in the neocortex. The results of the studies presented in this thesis showed that hippocampal contributions to the expression of the emotional responses, emotional and motor learning as well as spatial working and reference memory are modulated by glutamatergic neurotransmission and molecular modifications of the GluR-A subunit. These findings help to identify the molecules and processes by which the hippocampus administrates its functions.

Translation of abstract (German)

In dieser Doktorarbeit untersuchte ich, welche Rolle die c-terminalen Modifikationen in den GluR-A-vermittelten Funktionen spielen, indem ich einer Reihe genetisch veränderter Mäuse mehrere hippokampusabhängige verhaltensbezogene Aufgaben stellte, die von Neuphobie bis zum räumlichen Referenzgedächtnis reichten. Die Annahme, dass GluR-A-haltige AMPA-Rezeptoren für das Arbeitsgedächtnis benötigt werden, haben Studien an Mäusen mit einem GluR-A-Knock-out (GluR-A-/-) gezeigt. Dies wurde weiterhin dadurch bestärkt, dass die Expression einer transgenen GluR-A-Untereinheit im Vorderhirn von GluR-A-/- Mäusen das Gedächtnisdefizit teilweise wieder aufheben kann. In einer Aufgabenstellung für das räumliche Referenzgedächtnis lernen GluR-A-/--Mäuse genauso gut wie ihre Wildtypgegenstücke. Diese Ergebnisse zeigen an, dass die GluR-A-Untereinheit in unterschiedlicher Weise an der Gedächtnisbildung beteiligt ist und dass ihr Fehlen im dorsalen Hippokampus die mnemonischen Fähigkeiten des Tieres verändert. Um die Mechanismen zu verstehen, durch welche die GluR-A-Untereinheit zur Verschlüsselung der sensorischen Information über die Zeit beiträgt, benötigt man gezielte Veränderungen der c-terminalen Domäne dieser Untereinheit. Mit Hilfe genetisch veränderter Mäuse habe ich drei der Orte der c-terminalen Domäne untersucht, an denen Phosphorylierung und Wechselwirkung mit den PDZ-bindenden Proteinen stattfinden. Diese Linien exprimierten entweder eine veränderte oder eine Wildtyp-GluR-A-Untereinheit in GluR-A-/--Mäusen. In SA-Mäusen wurde am transgen exprimierten GluR-A die Aminosäure Serin gegen Alanin an den Phosphorylierungsstellen S831 und S845 ausgetauscht. TG-Mäuse trugen ein Transgen für eine GluR-A-Untereinheit, an der die letzte Aminosäure des C-Terminus (Leucin) entfernt wurde, woraus eine Veränderung der PDZ-Domäne und damit eine Unterbrechung der Wechselwirkung der Untereinheit mit den Proteinen der „post-synaptic density“ resultierte. Die dritte Linie exprimierte transgen die Wildtyp-GluR-A-Untereinheit und wurde als Kontrolllinie verwendet. Nachdem ich den Beitrag unterschiedlicher Teile der c-terminalen Domäne zu von GluR-A abhängigen Funktionen untersucht hatte, testete ich Mäuse, denen entweder GluR-A oder GluR-B (GluR-BΔFb) oder beide Untereinheiten (GluR-A-/-/BΔFb) fehlten, durch Aufgabenstellungen, die den Einsatz des Hippokampus erfordern. Im Gegensatz zur GluR-A-Deletion war die Entfernung von GluR-B so angelegt, dass sie nur im Vorderhirn stattfand. GluR-A-/-/BΔFb -Mäuse entstanden durch Kreuzung der zuvor erwähnten Linien, um die synergetischen Auswirkungen der Deletion beider Untereinheiten auf hippokampusabhängige Aufgabenstellungen zu untersuchen. In der letzten experimentellen Reihe nutzte ich Mäuse, die kontinuierlich Homer1a im Neokortex exprimierten, um zu hinterfragen, wie spezifisch die Funktionen der AMPA-Rezeptoren für diesen hippocampalen Phänotyp sind. Die Ergebnisse dieser Studien, die hier in dieser Doktorarbeit präsentiert werden, zeigten, dass der Beitrag des Hippokampus zum Ausdruck von Emotionen, zum emotionalen und motorischen Lernen genauso wie zur Funktion des Arbeitsgedächtnisses und des Referenzgedächtnisses durch glutamataktivierte neuronale Übertragung und molekulare Veränderungen der GluR-A-Untereinheit gesteuert wird. Diese Erkenntnisse helfen bei der Identifizierung der Moleküle und Prozesse, derer sich der Hippokampus bedient, um seine Funktionen auszuüben.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Seeburg, Prof. Dr. Peter H.
Date of thesis defense: 15 February 2007
Date Deposited: 07 Mar 2007 14:38
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Angst, Gelernte Hilflosigkeit, Arbeitsgedächtnis
Uncontrolled Keywords: AMPA-Rezeptoren , Transgene Mäuse , Knock-out , Hippokampusabhängiges Lernen , Räumliches LernenAMPA receptors , hippocampal learning , learned helplessness , spatial learning , working memory
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