A WAVE-1 aktin szabályozó fehérje szerveződése rágcsáló hippokampuszban

Abstract

A hippokampusz egy kognitív, tanulási és viselkedési folyamatok szabályozásában szerepet játszó agyterület, mely egyedülálló szerkezeti, valamint élettani tulajdonságainak köszönhetően képes sokrétű feladatkörének ellátására. Principális sejtjei a piramis sejtek, melyeknek apikális dendritjein citoplazmatikus kiemelkedések, a dendrittüskék figyelhetők meg. Ismert, hogy a dendrittüskék a szinaptikus aktivitásnak megfelelően dinamikus alakváltozáson mennek keresztül. A tüskék morfológiai változásait a citoszkeletális vázat alkotó aktin filamentum hálózat, specifikus, aktin-kötő fehérjék által közvetített átrendeződése eredményezi. Vizsgálataink során e jelátviteli rendszer egyik tagját, a WAVE-1 aktinkötő fehérjét tanulmányoztuk patkány és vad- típusú (WT), illetve WAVE-1 génkütött (knock-out, KO) egér hippokampusz CA1 régiójában. A WAVE-1 enzim szabályozza az aktin filamentumok elágazódásait kialakító Arp2/3 multiprotein komplex működését. Kísérleteink során fény- és kvantitatív elektronmikroszkópos vizsgálatokat végeztünk. Az immunarany jelölés kvantitatív elemzése során a fehérjét jelölő aranyszemcsék tüskeplazmán belüli helyzetét vizsgáltuk, továbbá a WT és WAVE-1 KO egerek szinpaszisainak morfológiai tulajdonságait hasonlítottuk össze. Eredményeink szerint a WAVE-1 fehérje a tüske citoplazma membrán alatti területein, a posztszinaptikus denzitás (PSD) protein komplexének citoplazmatikus felszínén és az endocitótikus zóna (EZ) területén koncentrálódik elkerülve a tüskemagot. Az egér hippokampális tüskéinek vizsgálata során kimutattuk, hogy a génkiütött állatban a tüskék lapítottabbá válnak, bennük szignifikánsan több az endoszóma és megnő az axonterminálisok száma. Kutatásaink igazolták, hogy a WAVE-1 fehérje a tüskehéjban lép kölcsönhatásba az aktin elágazódásokat létrehozó fehérjekomplexel, ezért ezen a területen található a tüskeváz legelágazóbb aktin-filamentum rendszere. Továbbá megállapíthatjuk, hogy a WAVE-1 fehérje nélkülözhetetlen szerepet játszik a tüskék alakjának kialakításában, a tüskén belüli vezikuláris transzportban és az axonterminálisok megfelelő működésében is. Eredményeink ultrastrukturális adatokat szolgáltatnak a génkiütött egerek kóros kognitív és csökkent tanulási képességének hátterében húzódó neuromorfológiai elváltozásokról.

Dendritic spines are small cytoplasmic protrusions of dendrites of excitatory neurons in the mammalian forebrain. Spines play a significant role in modifying synaptic efficacy. Synaptic plasticity is associated with morphological changes of dendritic spines. Recent findings show, that spines may change their shape in response to the changes of presynaptic activity. The actin-based spinoskeleton together with a cohort of actin binding proteins regulate spine structure and the activity dependent reorganization of actin filaments is critical for learning and memory. Biochemical mechanisms of actin remodeling imply complex signaling pathways between the synapse and the actin-based spinoskeleton, but little is known about the localization of actin binding proteins that mediate this reorganization. The WAVE-1 actin binding protein activates the actin nucleator Arp 2/3 complex, which triggers branching of the F-actin filaments. Loss of WAVE-1 function leads to abnormalities in synaptic plasticity, deficits in cognitive and sensorimotor functions. Thus, our aim was to examine the organization of WAVE-1 in the „spinoplasm” and to determine the morphological phenotype of the WAVE-1 knock out neurons to reveal the background of the behavioral changes observed in these mice. We used light- and quantitative immune-electron microscopy to elucidate the organization of WAVE-1 in the hippocampal CA1 region. Our results show, that the enzyme concentrates at the postsynaptic density (PSD) where it might help to modify the signaling apparatus within the PSD in response to patterns of presynaptic activity. WAVE-1 also localizes close to the plasma-membrane, suggesting that it interacts with Arp 2/3 complex in the spine shell, where the most branched pool of actin network is likely located. We also found, that WAVE-1 localizes in the endocytic zone of the spine. Interestingly, the number of trafficking endosomes was elevated and spines were significantly flatter in the KO mice as compared to the WT. Taken together, our findings revealed that WAVE-1 plays a crucial role in synaptic vesicle trafficking and loss of WAVE-1 causes pathological changes in spine morphology, which likely underlies the reduced cognitive functions and memory deficits observed in the WAVE-1 KO mouse.