The role of APP and its homologous proteins in synaptic function and plasticity

Kilian, Bettina Susanne

Der Abruf einer Erinnerung erfordert eine Mindestanzahl von Synapsen, die Teile der Information repräsentieren. Die Alzheimerdemenz ist durch fortschreitende Dysfunktion und den Verlust von Synapsen gekennzeichnet. Daher ist zentral für das Verständnis der Entstehung der Krankheit die Suche nach den Ursachen, die beidem zugrundeliegen. Da das APP-Protein eine zentrale Rolle in der Pathogenese der Alzheimerkrankheit einnimmt, war Ziel dieser Arbeit, die Beiträge von APP zur Funktion von Synapsen im Hippocampus, der Gehirnregion die besonders von der Alzheimer-Krankheit betroffen ist, weiter aufzuklären. Die Untersuchung von Mäusen, die anstelle des APP-Gens verschiedene trunkierte Formen von APP, teilweise vor einem APLP2 knock-out Hintergrund, exprimierten, erlaubte die Funktionen der drei Hauptregionen von APP in einem in vivo System bei physiologischer Konzentration und Prozessierung von APP zu untersuchen. Alle Experimente wurden an der CA3-CA1-Synapse im Maus-Hippocampus durch Analyse von Feldableitungen unter verschiedenen Stimulationsparadimgen durchgeführt. Tiere, die kein APP exprimierten, zeigten ein Defizit in Langzeitpotenzierung (LTP), welches veränderte inhibitorische synaptische Transmission einschloß. Dieses Defizit trat in Mäusen, welche die lösliche APP-Ektodomäne anstelle von APP exprimierten, nicht auf, was zeigte, dass intakte Langzeitpotenzierung im Alter von APPsalpha abhängig ist und modifiziert wird. Die entsprechende Domäne eines anderen wichtigen Proteins der APP-Protein-Familie, APLP2, zeigte eine geringere Rolle für synaptische Plastizität. Hinsichtlich der intrazellulären Domänen beider Proteine, AICD und ALICD, wurde ein kompensatorischer Effekt beobachtet. Gleichzeitig fehlende Funktionalität beider führte zu komplexen Veränderungen synaptischer Plastizität, insbesondere zu erhöhten Antworten auf Stimuluspaare im Zeitfenster von 10 – 160 ms, die vermutlich durch Beteiligung zweier Prozesse vermittelt waren: intrazelluläre Pufferung von Ca2+ und inhibitorische Aktivität. Annahmen über die relativen Anteile und die kausale Beziehung erfordern weitere Experimente. Während APPsalpha vorrangig eine Bedeutung für unbeeinträchtiges Altern hatte, waren die Effekte der intrazellulären Domänen altersunabhängig. Für das Abeta-Fragment hingegen zeigte sich hier keine relevante Rolle in synaptischer Plastizität. Weder in Langzeitpotenzierung noch Langzeitdepression wurden im verwendeten experimentellen System Änderungen gefunden, die durch das Fehlen dieses Teils verursacht wurden. Kompensierung durch gleichzeitiges Fehlen des möglicherweise entgegengesetzt wirkenden APPsalpha konnten ausgeschlossen werden. Dies zeigte zum einen, dass anders als im krankheits-assoziierten Kontext, Abeta im intakten Organismus eine geringe Rolle spielt und zum anderen, dass in frühen Stadien der Krankheit das gleichzeitige Fehlen von APPsalpha von größerer Bedeutung ist.

For retrieval of memories a minimum number of synapses representing parts of the information is necessary. The dementia Morbus Alzheimer is characterized by progressive dysfunction and loss of synapses. Therefore, the central issue in understanding the genesis of the disease is the search for the underlying reasons of both. As the APP protein plays a central role in the pathogenesis of AD, the goal of this work was to elucidate the contributions of APP in synapse function in the hippocampus, the brain region that is predominantly affected by Alzheimer´s Disease. Investigation of gene-targeted mice that expressed different truncations of APP, partly on an APLP2 knock-out background, allowed me to study the functions of the three major domains of APP in an in vivo system with physiological concentrations and processing of APP. All experiments were performed on the CA3-CA1 synapse in the mouse hippocampus by analysis of field recordings under various stimulus paradigms. Mice lacking APP were found to display a deficit in long-term plasticity (LTP) that involved altered function of inhibitory synaptic transmission. This deficit was rescued in mice expressing the soluble ectodomain of APP (APPsalpha) instead of APP, showing that sustainment of intact function of LTP in old age is depending on and mediated by APPsalpha. The corresponding domain of the other relevant protein of the APP family, APLP2, revealed a minor role for synaptic plasticity. With regard to the intracellular domains of both proteins, AICD and ALICD, a compensatory effect was observed. Simultaneous lack of functionality in both resulted in complex alterations of short-term plasticity, most prominently in enhanced responses to paired stimuli in the time-scale of 10 – 160 ms. They were likely mediated by involvement of two functions, intracellular Ca2+ buffering and inhibitory signaling. Assertions on the relative contributions and causation require further experiments. Whereas the effects of APPsalpha seemed to have a predominant relevance for unimpaired aging, the effects of the intracellular domains were independent from age. The Abeta fragment, on the other hand, did not show a relevant role in synaptic plasticity. Neither long-term potentiation nor long-term depression were found to be altered by lack of this fragment in this experimental setup, focussing on physiological conditions. Compensation by simultaneous lack of possibly counteracting APPsalpha could be excluded. This revealed that unlike in a disease-related context, Abeta plays a minor role in the intact organism and also, that in initial stages of AD, the simultaneous lack of APPsalpha might be of higher relevance.

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Kilian, Bettina Susanne: The role of APP and its homologous proteins in synaptic function and plasticity. 2008.

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