Endoplasmic Reticulum Dynamic Structural Changes in Neurons: The Fission-Fusion Phenomena

Abstract

The endoplasmic reticulum (ER) is crucial for protein synthesis and protein

maturation, is involved in cell stress and serves in neurons as the major

intracellular Ca2+ store. Neuronal ER forms a continuous network of cisterns

and tubules extending from soma to a subset of dendritic spines. The continuity

of ER structure is important for maintaining ER basic functions and necessary

for proteins and ions to diffuse and equilibrate within its lumen.

We show that ER in neurons can undergo rapid fission (=fragmentation) and

subsequently fusion. This phenomenon was previously unknown in neurons.

Our findings show that ER fission is induced during N-methyl D-aspartate

(NMDA) receptor-mediated Ca2+ entry to the cell in murine primary cultures

and hippocampal slice cultures. Using different pharmacological approaches,

we demonstrate, that ER fission is triggered independently on Ca2+ from ER

stores. Subsequently, we show that mild hypothermia, reported to be protective

in experimental stroke models, enhances ER fragmentation. Finally, we

validate the occurrence of rapid neuronal ER fission in an animal cardiac arrest

model of cerebral ischemia.

We assessed ER structure using confocal microscopy live cell and tissue

imaging, 2-photon laser scanning microscopy and transmission electron

microscopy (TEM). The fluorescence imaging was performed on murine

primary cultures cotransfected to express cytosolic and ER-specific markers;

hippocampal slices from transgenic mice expressing ER-specific marker; as

well as in transgenic living animals. To characterize the fission-fusion in a

quantitative way, we developed a new data analysis method based on

fluorescence recovery after photobleaching (FRAP).

Our data show that neuronal ER is a dynamic organelle. We propose a model

of ER continuity, where ER is in equilibrium with fission-fusion events.

Stimulation of NMDA receptors shifts the equilibrium towards the

fragmentation, while inhibiting NMDA receptors promotes the continuous

state of ER. We conclude that ER fission-fusion may be of importance in

physiology and disease. The molecular machinery regulating the reversible

changes in ER morphology remains unknown.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det endoplasmatiska retiklet (ER) är nödvändigt för proteinsyntes och

posttranslationell proteinmodifiering. ER är också iblandat i cellstress och

utgör den största intracellulära kalciumkällan i nervceller. Neuronalt ER bildar

ett kontinuerligt nätverk som består av dels rörliknande förbindelser (tubules)

och större cisterner. Att nätverket utgör en kontinuerlig lumen är en viktig

egenskap som gör att proteiner och kalciumjoner kan röra sig inom ER och

utjämna lokala koncentrationsskillnader. Vi visar att ER i nervceller kan

genomgå snabb fission (= fragmentering) och därefter fusion. Detta fenomen

har tidigare inte rapporterats i neuron. Våra fynd visar att ER-fission i

hippokampusneuron i primärkultur eller organotypa kulturer induceras av

kalciuminflöde genom en särskild glutamatreceptorklass: NMDA-receptorn.

Genom farmakologiska försök har vi visat att ER-fission induceras oberoende

av kalciumfrisättning från ER. Dessutom har vi funnit att mild hypotermi leder

till ökad fission. Detta är av intresse eftersom mild hypotermi har visat sig ha

en skyddande effekt i experimentella stroke-modeller. Slutligen har vi med 2-

fotonmikroskopi kunnat visa att snabb ER-fission också sker i hjärnan in situ i

en djurmodell av hjärtstopp. Vi har studerat ER struktur med ljusmikroskopi

(konfokal och 2-foton) i levande nervceller i primärkultur och organotypa

kulturer samt i den levande hjärnan. För odlade celler användes transfektion

för att få dessa celler att uttrycka fluorescerande proteiner specifikt i ER. För

imaging av organotypa kulturer och hjärnan in situ genererades olika transgena

musstammar med expression av ER-markörerna i olika populationer av

neuron. Dessutom har transmissionselektronmikroskopi använts på fixerad

vävnad från organotypa kulturer. För att möjliggöra kvantifiering av ER

fission och fusion har vi utvecklat en ny dataanalysmetod baserad på

”fluorescence recovery after photobleaching” (FRAP). Våra data visar att ER

är en dynamisk modell och vi föreslår en modell för ER-struktur där

kontinuiteten av ER hela tiden bestäms av en jämvikt mellan fission och

fusion. Aktivering av NMDA-receptorn skiftar jämvikten mot fission medan

inhibering av NMDA-receptorn har motsatt effekt. Denna hittills okända

strukturella dynamik har sannolikt viktiga funktionella konsekvenser för såväl

fysiologiska som patofysiologiska processer vilket diskuteras i denna

avhandling.

• author: Kucharz, Krzysztof
• supervisor: Håkan Toresson; Tadeusz Wieloch
• opponent: Professor Hanse, Eric, University of Gothenburg, Dept. of Physiology/Neuro
• organization: Section IV; MultiPark: Multidisciplinary research focused on Parkinson´s disease
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: fragmentation, fission, endoplasmic reticulum, neurons, FRAP, primary cultures, organotypic slice cultures, in vivo, in situ, calcium, fusion, NMDA receptor, 2-photon microscopy, confocal microscopy
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:129
• pages: 106 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Centre, Lund, Sweden.
• defense date: 2010-12-13 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-45-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Laboratory for Experimental Brain Research (013041000)
• id: 60f5e176-9ed2-4916-89c5-523d8a6dd2cd (old id 1730898)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:11:30
• date last changed: 2025-04-04 14:01:29