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Local translation of actin-binding proteins in the healthy and diseased central nervous system

Feuge, Jonas

Long-lasting modifications of synaptic efficacy of single synapses are believed to represent the cellular correlates of learning and memory formation and depend on the global and local translation of pre-existing mRNAs. These local translation events allow synapses to autonomously and specifically change their structural and functional properties on a rapid time scale, a phenomenon that depends on a fast remodeling of the actin cytoskeleton mediated by actin-binding proteins (ABPs). In the Fragile X Syndrome (FXS), where the Fragile X mental retardation protein 1 as a regulator of mRNA transport and local translation is absent, alterations in synapse structure and function indeed point towards dysregulated actin dynamics. Therefore, this study aimed at analyzing the role of dynamic actin and ABPs as an underlying cause of synapse pathology in FXS.

In experiments involving NMDAR-dependent long-term potentiation (LTP; glycine-mediated) or mGluR-dependent long-term depression (LTD; DHPG-mediated) combined with Fluorescence in situ Hybridization, this work provides evidence that the mRNAs of the ABPs Profilin 1, Profilin 2a and Cofilin 1 (Cof1) are not only localized in dendrites of hippocampal neurons but also that ABP mRNA localization is mediated in an activity-dependent manner. In addition, Fluorescence Recovery after Photobleaching of membrane-targeted eGFP fused to the 3’UTR of Cof1 revealed that the local translation of Cof1 is modulated in an activity-dependent manner as well. Intriguingly, this study shows that in the mouse model of FXS (fmr1 KO), these activity-dependent modulations of ABP mRNAs are absent and in case of NMDAR-dependent LTP, these defects are additionally accompanied by a complete loss of structural plasticity. Most importantly, this structural plasticity defect could be rescued by mimicking Cof1 modulation of WT neurons, thereby directly attributing plasticity deficits in FXS to a dysregulation of ABPs.

In summary, this work shows for the first time that the local translation of ABPs is mediated in an activity-dependent manner, a modulation that appears to be crucial for the proper induction of NMDAR-dependent LTP as well as mGluR-dependent LTD in hippocampal neurons. In addition, this study proposes a causal relationship between dysregulated actin dynamics, derived from alterations in the modulation of local ABP synthesis and local ABP mRNA availability, and synapse pathologies as well as learning deficits in the mouse model of FXS.

Neuronale Korrelate von Lern- und Gedächtnisvorgängen beruhen auf Veränderungen an Synapsen, die sich Input-spezifisch verstärken oder abschwächen. Um diese Spezifität zu wahren, müssen Synapsen individuell regulierbar sein. Dies bedingt, dass synaptische Plastizität abhängig ist von einer globalen als auch lokalen Translation von prä-existierenden mRNAs, die es Synapsen ermöglicht schnell und autonom ihre Struktur als auch ihre Funktion anzupassen. Diese Regulationen beruhen auf einer schnellen Umstrukturierung des Aktin-Zytoskeletts durch Aktin-bindende Proteine (ABPs). Im Fragilen X Syndrom (FXS), in dem das Fragile X mental retardation Protein nicht mehr exprimiert wird, welches sowohl den Transport als auch die lokale Translation von mRNAs reguliert, kommt es zu Veränderungen in der Struktur als auch Funktion von Synapsen. Diese Phänotypen deuten auf eine Fehlregulation von synaptischen Aktindynamiken hin, weshalb im Rahmen dieser Arbeit die Rolle von dynamischem Aktin und ABPs als potentielle Ursache für synaptische Phänotypen im FXS untersucht wurde. In Experimenten, in denen die NMDA-Rezeptor abhängige Langzeitpotenzierung (LTP; chemisch induziert mit Glycin) als auch die mGluR-Rezeptor abhängige Langzeitdepression (LTD; DHPG-mediiert) mit Fluoreszenz in situ Hybridisierungen kombiniert wurde, konnte diese Arbeit zeigen, dass die mRNAs von den ABPs Profilin 1, Profilin 2a und Cofilin 1 (Cof1) in Dendriten von hippokampalen Neuronen lokalisiert sind und das die Lokalisation von ABP mRNAs aktivitätsabhängig reguliert ist. Zusätzlich konnte über Fluorescence Recovery after Photobleaching von Membran-gebundenem eGFP, welches an die 3’ untranslatierte Region von Cof1 fusioniert wurde, die aktivitätsabhängige lokale Translation von Cof1 nachgewiesen werden. Weiterhin konnte diese Studie zeigen, dass diese aktivitätsabhängigen Regulationen im Mausmodell für FXS (fmr1 KO) nicht stattfinden und dass diese Defekte im Falle von NMDAR-abhängigem LTP von einem Verlust der strukturellen Plastizität von Synapsen begleitet werden. Interessanterweise konnte dieser strukturelle Plastizitätsverlust in fmr1 KO Neuronen gerettet werden, indem die aktivitätsabhängige Regulation von Cof1, die in Wildtyp Neuronen nachgewiesen werden konnte, nachgeahmt wurde, wodurch Plastizitätsdefekte im FXS direkt der Fehlregulation von ABPs zugeordnet werden konnten.

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