Endoplasmic reticulum function in dendrites and dendritic spines of hippocampal neurons

Abstract

In the hippocampus, dendritic spines are compartmentalized postsynaptic micro-domains in the excitatory synapse. Subsets of bigger and mushroom-shaped hippocampal dendritic spines contain tubules and cisterns of endoplasmic reticulum (ER) that are connected to the soma and dendrites of the neuron. These ER containing spines differ in their ability to retain ER. We hypothesized a functional coupling of the ER to the plasma membrane (PM) via

protein-protein interaction at specialized junctions, which we believe to anchor ER within spines. Although the molecular composition of such an ER-plasma membrane junction (ERPMJ) is yet to be elucidated, we showed that a subset of ERPMJs containing type I transmembrane proteins sensitive to phorbol ester induced metalloproteinase and subsequent gamma-secretase mediated remodelling, and that these proteins may be involved in regulating spine ER dynamics. The gamma-secretase is a multimeric complex with presenilin protein as the catalytic component. Findings have implicated mutations in the presenilin genes clinically associated to familial Alzheimer’s disease (FAD) with altered store-operated calcium entry (SOCE) response. SOCE is a cellular homeostatic mechanism that is activated to restore the depleted ER calcium store via specialized store-operated calcium channels (SOC) localized in the PM. With SOCE-inducing protein STIM1, we explored the effect of a FAD M146V mutation in presenilin-1 (PS1) on spine ER dynamics as well as on STIM1 function. In EGFP-STIM1-expressing hippocampal neurons established from wild-type and FAD PS1 mutant mice, we used 3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG) and carbachol, agonist of type I metabotropic glutamate receptors and muscarinic acetylcholine receptors to trigger calcium release from the ER via IP3R. Surprisingly, STIM1 activation appeared not to be affected by the PS1-M146V mutation although SOCE was impaired. Separately, we showed that DHPG or carbachol stimulation in PS1-M146V neurons led to a significant ER loss from spines that was exclusively mediated by mechanisms controlling ER entry into spines. We hypothesized that the PS1-M146V mutation altered yet to be elucidated mechanisms regulating ER entry into spines, and which may well contribute to synaptic dysfunction in FAD. Looking forward, there is value in future research to elucidate novel molecules and signaling pathways vis-a-vis gamma-secretase and presenilin activity to spine ER dynamics.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Till och med kroppens allra enklaste celler är så avancerade att vi inte förstår i detalj hur de fungerar eller hur de påverkar kroppen. Nervceller tillhör kroppens mer avancerade celler och vi får erkänna att all den kunskap vi har om dem är mindre än vad som finns att veta. Komplexiteten hos hjärnan är mångfalt större för nervcellerna kommunicerar blixtsnabbt med varandra och med hjärnans andra celler.



Den här avhandlingen gäller funktionen hos ytterst små delar av nervceller från hippokampus som är ett område i hjärnan som är viktigt för minne och inlärning. De små delarna är dels vad som kallas spines och är utskott från dendriten dels endoplasmatiskt retikel: en inre organell som finns i nästan hela nervcellen; bland annat i vissa spines.



Spines är platsen där nervcellen tar emot information från andra nervceller – den utgör alltså en del av en synaps. De synapser som finns på spines är viktiga för minne och inlärning eftersom de kan fungera som egna ”logiska enheter” där en första behandling av inkommande information sker. Spines är utrustade med receptorer för neurotransmittorer som släpps ut från den anslutande nervcellen och i spines kan frekvensen av neurotransmittorfrisättningen påverka vilka biokemiska reaktioner som startar och spines kan också jämföra hur aktiveringen av dess egna receptorer stämmer överens med nervcellens totala aktivitetsgrad.



Kalciumjoner spelar en mycket viktig roll i hur spines behandlar information. Det är här endoplasmatiskt retikel (ER) kommer in för det är en organell som lagrar kalcium inuti cellen och är utrustad med kalciumkanaler för att släppa ut kalcium i små eller stora doser för att på så vis styra olika biokemiska processer. Kalciumjoner kan också komma in i nervcellen via kanaler i cellens ytterhölje – plasmamembranet och störningar i hur de här kanalerna eller ER-kanalerna fungerar leder till störd funktion hos nervceller och därmed hos hjärnan i stort.



Avhandlingen inleds med ett arbete som visar att ER-fördelning till spines delvis styrs av ett enzym som heter gamma (γ)-sekretas. En av komponenterna i γ-sekretas är ett protein som heter presenilin-1 och det är kopplat till en ärftlig form av Alzheimers sjukdom. Att γ-sekretas styr fördelningen av ER till spines är ett viktigt fynd eftersom det är känt sedan tidigare att Alzheimers sjukdom är förknippat med störd kalciumsignalering kopplad till ER och även störd synapsfunktion. Detta första fynd har lett vidare till två ytterligare arbeten där vi i större detalj har undersökt dels ER-fördelning till spines dels några av de ER-kalciummekanismer som tidigare har rapporterats.



Vi har då funnit att två viktiga klasser av neurotransmittorreceptorer (glutamat- och acetylkolinreceptorer) inducerar förlust av ER från spines och att denna dynamik är ändrad i en musmodell av Alzheimers sjukdom. Vidare har vi visat att aktivering av de här två receptortyperna också aktiverar en process som kallas store operated calcium entry (SOCE) och syftar till att bibehålla ER:s kalciumnivåer. Precis som andra forskargrupper har vi funnit att SOCE är minskad i nervceller från alzheimermöss. Däremot är själva induktionssteget för SOCE normalt och felaktigheterna som kopplats till Alzheimers sjukdom måste alltså bero på ett senare steg.



Sammanfattningsvis har vi alltså upptäckt cellulära mekanismer som med stor sannolikhet är viktiga för hur vi lär oss och bildar minnen. Mycket talar också för att de här mekanismerna är påverkade hos patienter med Alzheimers sjukdom. Genom ytterligare studier av de här nyupptäckta mekanismerna ökar möjligheten att finna ett sätt att lindra eller helt avbryta sjukdomsförloppet.

• author: Ng, Ai Na
• supervisor: Håkan Toresson; Tadeusz Wieloch
• opponent: Professor Nägerl, Valentin, Université Victor Segalen Bordeaux 2, Bordeaux, France
• organization: Section IV; MultiPark: Multidisciplinary research focused on Parkinson´s disease
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: Endoplasmic reticulum, primary culture, dendritic spines, live cell imaging, STIM1, carbachol, store-operated calcium entry, 3, familial Alzheimer's disease, 5-dihyroxyphenyglycine
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:77
• pages: 140 pages
• defense location: Segerfalksalen
• defense date: 2010-06-19 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86443-93-1
• 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: b2ed0317-3ba3-4bfc-8ab7-e54e9c4746eb (old id 1607510)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:29:05
• date last changed: 2020-09-16 16:17:13