F-actin dynamics in dendritic spines

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0471-7
Title: F-actin dynamics in dendritic spines
Author: Koskinen, Mikko
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Faculty of Biological and and environmental sciences
Neuroscience Center
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Dendritic spines are small bulbous protrusions extending from dendritic shafts of neurons. These compartments house most of the postsynaptic terminals of excitatory synapses in the mammalian central nervous system. Dendritic spines are formed during early development and their density and morphology undergoes significant changes during maturation. After maturation dendritic spines are not static structures but display constant changes in their morphology and stability. The shape and size of dendritic spines have been linked to synaptic transmission, coupling the form of spines to neuron function. Several neurological diseases and disabilities are characterized by abnormal spine density and morphology. The main structural component of the dendritic spines is the actin filament, F-actin. Actin filaments are dynamic polymers of the monomeric protein actin. The filaments are constantly turning over and reorganizing. Both processes are regulated by actin binding proteins. All structural changes and the maintenance of dendritic spines are dependent on actin dynamics. Current research indicates that the dynamics of actin filaments do not change following spine maturation. Maturation does lead to a decrease in the movement of spines and an increase in stability, indicating changes in F-actin dynamics. In this study I have shown that the dynamics of F-actin do change during maturation. The stable pool of F-actin increases in size and the turnover of the dynamic pool increases. One of the actin binding proteins with a potential to regulate actin stabilization is myosin IIb, a motor protein with capabilities to bind F-actin and to introduce contractility into the filament network. Myosin IIb has been shown to regulate dendritic spine development, size and shape and play a role in memory consolidation. In this study I have shown that myosin IIb regulates dendritic spine F-actin via two distinct mechanisms. Myosin IIb can bind F-actin and stabilize it without affecting the turnover of the dynamic filaments. Myosin IIb-mediated contractility on the other hand can facilitate the turnover of the dynamic filaments. These findings help us to understand the molecular mechanism behind dendritic spine structure regulation and possibly in the future how it is related to synaptic transmission and different pathological states. Due to their small size, dendritic spines pose unique challenges for the study of actin dynamics. Most of the available methods are based on advanced fluorescence microscopy. In this study I have made a critical evaluation of the methods used to measure F-actin turnover in dendritic spines and the analysis of the data. I have also developed a novel approach to use fluorescence anisotropy to measure the level of actin bundling. The method has been previously applied to measure actin polymerization. My findings have led to the conclusion that in actin-dense compartments, such as the dendritic spines, fluorescence anisotropy reflects actin bundling rather than polymerization and that conclusions based on earlier research using similar techniques should be re-evaluated.Tuojahaarakkeiden okaset ovat pieniä pallomaisia ulokkeita hermosolujen tuojahaarakkeiden pinnalla. Suurin osa nisäkkäiden keskushermoston eksitatoristen synapsien post-synaptisista terminaaleista sijaitsee okasissa. Tuojahaarakkeiden okaset muodostuvat aikaisessa yksilönkehityksen vaiheessa ja käyvät läpi suuria muutoksia tiheydessä ja morfologiassa kehityksen aikana. Myöskään kehittyneet okaset eivät ole staattisia rakenteita vaan ne muuttavat muotoaan jatkuvasti. Okasten koko ja muoto ovat yhteydessä synapsien voimakkuuteen, luoden näin yhteyden muodon ja toiminnan välille. Epänormaali okasten tiheys sekä muoto ovat tunnusomaista useille neurologisille taudeille ja häiriötiloille. Tuojahaarakkeiden okasissa tapahtuvia muutoksia pidetään myös yksinä aivoissa tapahtuvina muutoksina jotka liittyvät muistiin ja oppimiseen. Tuojahaarakkeiden okasten pääasiallinen rakenteellinen komponentti on aktiinitukiranka. Aktiinitukiranka muodostuu aktiinifilamenteista, jotka ovat aktiini nimisen proteiinin muodostamia polymeerejä. Nämä filamentit ovat erittäin dynaamisia. Dynamiikkaa säätelevät aktiinia sitovat proteiinit. Kaikki muutokset tuojahaarakkeiden okasten koossa, muodossa ja stabiliteetissa riippuvat aktiinifilamenttien dynamiikasta. Aikaisemmissa tutkimuksissa on osoitettu että okasten kehittyminen ei johda muutoksiin aktiinifilamenttien dynamiikassa okasissa. Kehittyminen johtaa kuitenkin muutoksiin okasten koossa, liikkeessä ja stabiliteetissa jotka viittaavat muutoksiin aktiini filamenttien dynamiikassa. Tässä tutkimuksessa olen osoittanut että okasten sisältämien aktiinifilamenttien dynamiikka muuttuu kehityksen kuluessa. Stabiilien filamenttien osuus ja dynaamisten filamenttien muutosnopeus kasvavat. Myosiini IIb on aktiinia sitova proteiini, joka voi kontrolloida aktiinifilamenttien dynamiikkaa kehityksen aikana. Myosiini IIb:n on osoitettu vaikuttavan okasten kehitykseen, kokoon, muotoon sekä muistojen muistamiseen. Tässä tutkimuksessa olen osoittanut että myosiini IIb säätelee okasten aktiinitukirankaa kahdella erillisellä mekanismilla. Sitoutumalla aktiinifilamentteihin vakauttaen niitä sekä kohdistamalla supistavaa voimaa filamenttijärjestelmään lisäten filamenttien muutosnopeutta. Tuojahaarakkeiden okasten pieni koko luo haastellisen ympäristön aktiinifilamenttien dynamiikan tutkimukselle. Menetelmät dynamiikan mittaamiseen perustuvat edistyneeseen valomikroskopiaan. Tässä tutkimuksessa olen tehnyt kriittisen arvion käytetyistä menetelmistä sekä data-analyysistä. Lisäksi esittelen uuden, fluoresenssin anisotropian mittaamiseen perustuvan, menetelmän filamenttien järjestyksen tutkimiseen. Menetelmää on aiemmin käytetty aktiinin polymerisaation tutkimuksessa. Havaintoihini perustuen voidaan kuitenkin tehdä johtopäätös että menetelmää voidaan käyttää aktiini filamenttien järjestyksen tutkimiseen aktiini-tiheissä solunosissa kuten tuojahaarakkeiden okasissa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-0471-7
http://hdl.handle.net/10138/144118
Date: 2014-12-12
Subject: fysiologia ja neurotiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
f-actind.pdf 1.566Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record