Novel molecular mechanisms of dendritic spine development

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1605-5
Title: Novel molecular mechanisms of dendritic spine development
Author: Llano, Olaya
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Biochemistry and Biotechnology
Neuroscience Center
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-3161
Abstract: Dendritic spines are the main site of reception of glutamatergic -excitatory- neurotransmission in the central nervous system. According to the current view on neuronal function, dendritic spines play a pivotal role in the formation of synaptic networks for memory storage. Consequently, dendritic spines are crucial for cognitive processes, e.g. learning. Numerous disorders such as intellectual developmental disorders, schizophrenia and cognitive impairment are associated with functional and structural abnormalities of dendritic spines. The main objectives of this project were to identify molecular regulators of the structure and function of dendritic spines and to characterise novel mechanisms leading to dendritic spine development and synapse formation. Actin is the most abundant protein in dendritic spines. Rearrangements of the actin cytoskeleton are responsible for the morphological changes of dendritic spines, making actin a major player in the regulation of glutamatergic synaptogenesis. Increasing evidence shows that dendritic filopodia are crucial in the formation of dendritic spines. Often filopodia act as precursors of mature dendritic spines. While filopodial protrusions in other cell types have been widely studied, the molecular mechanisms regulating the emergence and maintenance of dendritic filopodia are poorly understood. In this thesis work, we show that the polymerizing factor mDia2 promotes initiation and polymerization of actin in the filopodial tip. We also describe a novel observation of filopodial root polymerization. Spine maturation is accompanied by expansion of the spine head. We propose here that the actin polymerizing factor Arp2/3 complex takes active part in the branched actin polymerization during spine head expansion. Spine heads are dynamic structures, with long protrusions often visible on their surface. Our results demonstrate that the actin depolymerizing factor cofilin-1 has a double function in the regulation of dendritic spine actin dynamics. On one hand cofilin-1 replenishes the actin monomer pool, and on the other hand it shapes the spines by severing the actin filaments and therefore controls actin filament length. The maturation of synaptic networks is strictly dependent on the synchronous development of both inhibitory and excitatory transmission. Within this context the formation of and stabilization of dendritic spines is an important step in the maturation of glutamatergic transmission. However, in terms of functional maturation, chloride regulatory proteins, such as the K-Cl cotransporter KCC2, are crucial regulators of GABAergic -inhibitory- transmission. Interestingly, previous studies have identified KCC2 as an important agent required for the maturation of dendritic spines and consequently glutamatergic transmission. The mechanism how KCC2 exerts its chloride-extrusion independent effect on dendritic spines and excitatory synapses remained obscure. In this thesis work we have identified the molecular interaction between the potassium-chloride cotransporter KCC2 and the guanine nucleotide exchange factor βPix. Importantly, KCC2 inhibits the action of βPix towards the GTPase Rac1, a major regulator of the actin cytoskeleton in dendritic spines. The inhibition of βPix by KCC2 leads to decreased cofilin-1 inactivation and subsequent reduction in the fraction of actin that is stable. This novel molecular pathway leads to the regulation of glutamatergic synaptogenesis and spine formation by KCC2 via βPix. Synaptic cell adhesion molecules orchestrate trans-synaptic recognition as well as specification of glutamatergic synapses. Fine-tuning of synaptic networks requires a delicate balance between positive and negative signalling mechanisms that regulate dendritic spine formation. The intercellular adhesion molecule ICAM-5 negatively regulates the maturation of dendritic spines. We have found that ICAM-5 binds to pre-synaptic β1 integrins in filopodia and immature dendritic spines, preventing spine maturation. We have characterized the molecular mechanisms leading to the diminished interaction of ICAM-5 and β1 integrins during spine maturation. Moreover, genetic manipulation of ICAM5 affected the morphology and function of dendritic spines. The results included in this thesis work contribute to the deeper understanding of the molecular mechanisms regulating the development of dendritic spines. We have studied molecules that control all steps of these processes, from filopodia formation to mature spine regulation; encompassing structural and functional synaptogenesis.Tuojahaarakkeeet, eli dendriittien okaset, ovat keskushermoston keskeinen rakenne eksitatorisen, glutamatergisen hermovälityksen vastaanottamisessa.Nykykäsityksen mukaan okaset ovat keskeisessä roolissa muistiin liittyvien synaptisten verkostojen muodostamisessa. Tästä johtuen ne ovat äärimmäisen tärkeitä kognitiivisissa prosesseissa, esimerkiksi oppimisessa. Häiriöt, kuten kehitysvammaisuus, skitsofrenia ja kognitiivisten kykyjen heikentymät ovat yhdistetty dendriittien okasten toiminnallisiin ja rakenteellisiin poikkeamiin. Tämän projektin päätavoitteena oli tunnistaa tuojahaarakkeiden okasten rakennetta ja toimintaa molekyylitasolla säätelevät tekijät. Tämän lisäksi tavoitteena oli karakterisoida okasten ja niihin muodostuvien synapsien kehitykseen johtavat mekanismit. Aktiini on dendriittien okasissa runsaslukuisin proteiini. Muutokset aktiinitukirangassa ovat pääsyy okasten rakenteellisiin muutoksiin, tästä johtuen aktiini on tärkeässä roolissa glutamatergisten synaptisten. Tutkimukset osoittavat, että filopodiat ovat keskeisiä dendriittisten okasten muodostumisessa. Monesti filopodia toimii esiasteena täysin kehittyneelle dendriittiselle okaselle. Vaikka filopodisia pullistumia on tutkittu laajalti muissa solytyypeissä, ei niitä sääteleviä molekulaarisia mekanismeja tunneta hyvin. Tässä väitöskirjassa kuvaamme polymerisaatiotekijä mDia2:ta edistävän aktiinin polymerisaatiota filopodian kärjessä. Lisäksi esitämme havainnon filopodiaalisen juuren polymerisaatiosta. Okasen maturaatiota seuraa sen pään laajentuminen. Väitämme aktiinin polymerisaatiotekijä Arp2/3-kompleksin olevan aktiivisesti mukana haaroittuneessa aktiinipolymerisaatiossa okasten päiden laajentumisen aikana. Okasten päät ovat dynaamisia rakenteita, joiden pinnalla on usein nähtävissä pitkänomaisia pullistumia. Tulokset osoittavat, että aktiinin depolymerisaatiotekijä cofilin-1:llä on kaksi erillistä toimintoa dendriittisten okasten dynamiikan säätelyssä. Cofilin-1 täydentää aktiinimonomeeri-varastoja, sekä muovaa okasia katkomalla aktiinifilamentteja säädellen samalla niiden pituutta. Synaptisten verkostojen maturaatio on hyvin tiukasti riippuvainen sekä inhiboivan, että eksitatoivan välittymisen synkronisesta kehittymisestä. Tässä yhteydessä dendriittisten okasten muodostuminen ja vakautus on tärkeä vaihe glutamatergisen viestinnän maturaatiossa. Kuitenkin, toiminnallisen maturaation yhteydessä kloriditasoja säätelevät proteiinit, kuten K-Cl kotransportteri KCC2 ovat tärkeitä säätelijöitä GABAergisen inhibition välittymisessä. Aikaisemmat tutkimukset osoittavat KCC2:n olevan keskeisesti osallisena dendriittisten okasten ja glutamatergisen välityksen maturaatiossa.Mekanismi, jonka kautta KCC2 vaikuttaa dendriittisiin okasiin ja eksitatorisiin synapseihin kloridi-ionien ekstruusiosta riippumattomasti, jäi epäselväksi. Tässä väitöskirjatyössä olemme tunnistaneet molekyylitason interaktion kaliumkloridi kotransportteri KCC2:n ja guaniininukleotidin vaihtotekijä βPix:n välillä. On huomionarvoista, että KCC2 estää βPix:n toiminnan GTPaasi Rac1:ä kohtaan, joka on tärkeä aktiinitukirangan säätelyssä dendriittisissä okasissa. βPix:n inhibointi KCC2:n avulla johtaa vähentyneeseen cofiliini-1 inaktivaatioon ja laskee rakenteellisesti vakaan aktiinin määrää. Tämä aikaisemmin dokumentoimaton reaktioreitti johtaa KCC2-välitteiseen glutamatergisen synaptogeneesin säätelyyn βPix:n kautta. Synaptiset soluadheesiomolekyylit aikaansaavat transsynaptisen tunnistuksen ja glutamatergisten synapsien määrittelyn. Synaptisten verkostojen hienosäätö vaatii olosuhteet, joissa okasia säätelevien positiivisen ja negatiivisen signaloinnin välillä vallitsee tasapaino. Solujenvälinen adheesiomolekyyli ICAM-5 säätelee negatiivisesti dendriittisten okasten maturaatiota. Olemme havainneet, että ICAM-5 sitoutuu filopodioissa sijaitseviin presynaptisiin β1 integriineihin ja dendriittisiin okasiin, estäen niiden maturoitumisen. Olemme karakterisoineet molekulaariset mekanismit, jotka johtavat alentuneeseen interaktioon ICAM-5:n ja β1 integriinien välillä, okasten maturaation aikana. Lisäksi ICAM-5:n geneettinen manipulaatio vaikutti dendriittisten okasten morfologiaan ja toimintaan. Tämän väitöskirjätyön tulokset auttavat meitä ymmärtämään dendriittien okasiin liittyviä molekulaarisia mekanismeja paremmin. Olemme tutkineet molekyylejä, jotka kontrolloivat prosessin eri vaiheita: filopodioiden muodostumisesta maturoituneiden okasten säätelyn kautta kattavaan rakenteelliseen ja toiminnalliseen synaptisten yhteyksien muodostumiseen.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1605-5
http://hdl.handle.net/10138/156671
Date: 2015-10-20
Subject: Molecular Neuroscience
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
novelmol.pdf 12.81Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record