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Visualisation of nuclear calcium signals using rekombinant calcium indicators in in vivo systems

Weislogel, Jan-Marek

German Title: VisualieVisualisierung von Kernkalziumsignalen mit Hilfe von rekombinanter Kalziumindikatoren in in vivo Modellsystemen

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Abstract

The generation of calcium signals following synaptic activity is a fundamental property of neurons that controls many neuronal processes including cell survival, learning and memory. In cultured neurons, increases in nuclear calcium concentrations are known to be critical for the activation of gene expression mediated by the transcription factor CREB. CREB has been implicated in transcription-dependent plasticity (late phase LTP). It is still unclear whether nuclear calcium signals are also responsible for CREB mediated gene transcription in vivo. The goal of the study was to visualise nuclear calcium signals in vivo. Investigating the importance of nuclear Ca2+ signalling in the intact brain is impeded by the restrictions and complexities of in vivo experimentation. However, D. melanogaster provides an excellent system to explore the role nuclear Ca2+ in an intact behaving animal. Since Ca2+ signalling of the nucleus is of particular interest transgenic flies expressing the nuclear localised Ca2+ indicator UAS GCaMP NLS to visualise nuclear Ca2+ signals and the nuclear Ca2+/CaM inhibitor UAS 2xM13 myc to interfere with nuclear Ca2+ signalling were generated. Using these flies, it could be shown that nuclear Ca2+ signalling could play a role in LTM. Further, using rAAV-mediated gene transfer the nuclear Ca2+ indicator rAAV GCaMP 2.0 NLS was expressed in CA1 pyramidal neurons of juvenile rats two weeks after in vivo injection. In acute slices from these juvenile rats an increase in nuclear Ca2+ concentration was visualised evoked by LTP inducing electrical stimulation. Using this method a correlation between LTP and increase in nuclear Ca2+ concentration could be shown. It is still unclear whether nuclear Ca2+ signals are necessary to induce LTP in acute slice. The major challenge of Ca2+ imaging in vivo either in flies or in rodents based on difficulties to detect signals through the intransparent skulls. The freshwater polyp H. vulgaris is completely transparent. Therefore, Ca2+ imaging of transgenic hydras expressing the Ca2+-indicators hyGCaMP or hyGCaMP NLS was done. Increase in nuclear Ca2+ signals was observed in ectodermal cells expressing hyGCaMP NLS. At the moment, the role of Ca2+ signals, especially of nuclear Ca2+ signals in hydra is unknown.

Translation of abstract (German)

Mit Hilfe des Botenstoffs Kalzium koordinieren und steuern Nervenzellen intrazelluläre Vorgänge wie z.B. Zellwachstum, Zelldifferenzierung, Lern- und Erinnerungsprozesse. In kultivierten Nervenzellen konnte gezeigt werden, dass ein Anstieg der Kalziumkonzentration im Zellkern entscheidend für Gentranskription ist, die von dem Transkriptionsfaktor CREB reguliert wird. Der CREB-regulierten Gentranskription kommt eine zentrale Bedeutung in der transkriptionsabhängigen Phase von Langzeitpotenzierung zu. Es ist noch unklar, ob Kernkalziumsignale auch in vivo an der CREB vermittelten Gentranskription beteiligt sind. Das Ziel dieser Arbeit war, Veränderungen der Kernkalziumkonzentration in vivo darzustellen. Die Fruchtfliege D. melanogaster ist für diese Fragestellung ein geeigneter Modellorganismus. Für diese Arbeit wurden daher mehrere transgene Fliegenlinien generiert. Eine transgene Fliegenlinie expremiert den Kernkalziumindikator (UAS GCaMP NLS), um Kernkalziumsignale darzustellen, während eine weitere transgene Fliegenlinie einen Inhibitor des Kernkalziumsignalwegs (UAS 2xM13 NLS myc) expremiert. Mit Hilfe dieser Fliegenlinien konnte gezeigt werden, dass Kernkalziumsiganle eine Rolle in Lern- und Erinnerungsprozesse spielen. Mit Hilfe eines virusbasierenden Gentransfersystems wurde der Kernkalziumindikator (rAAV GCaMP 2.0 NLS) in CA1 Pyramidenzellen des Hippokampus von Ratten expremiert. In Gehirnschnitten wurden Veränderungen der Kernkalziumkonzentration in Abhängigkeit von LTP-induzierenden Stimulationen dargestellt. Damit wurde gezeigt, dass ein Anstieg der Kernkalziumkonzentration mit LTP zeitlich korreliert, jedoch ist dabei unklar, ob der Anstieg der Kernkalziumkonzentration notwendig für Langzeitpotenzierung ist. Da der Süßwasserpolyp H. vulgaris vollständig transparent ist, sind Veränderungen von Kalziumsignalen leichter darzustellen als in anderen Modellorgansimen. Für diese Arbeit wurden transgene Hydralinien (hyGCaMP und hyGCaMP NLS) generiert. Ein Anstieg in der Kernkalziumkonzentration konnte gezeigt werden, dennoch ist im Moment die Rolle von Kalziumsignalen, speziell von Kernkalziumsignalen in Hydra, völlig unbekannt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bading, Professor Hilmar
Date of thesis defense: 7. July 2008
Date Deposited: 13. Aug 2008 13:18
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Kalziumindikator GCaMP, Kernkalzium, Taufliege, Braune Hydra, Hippocampus
Uncontrolled Keywords: Calcium indicator GCaMP , nuclear calcium , Hydra vulgaris , Drosophila melanogaster , hippocampus
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