The role of Kainate receptor auxiliary subunits NETO1 and NETO2 in development of hippocampal circuitry

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5493-4
Title: The role of Kainate receptor auxiliary subunits NETO1 and NETO2 in development of hippocampal circuitry
Author: Orav, Ester
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme Brain and Mind
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-25
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5493-4
http://hdl.handle.net/10138/305846
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Neural circuits emerge when neurons become connected by synaptic contacts. In rodents, this process begins already before birth and continues during the first postnatal weeks. The initial steps of synapse formation are guided by intrinsic molecular cues. The emerging synaptic contacts are then refined and fine-tuned by activity-dependent mechanisms. Kainate-type glutamate receptors (KARs) are involved in synapse formation and refinement during this “critical period” by regulating neurotransmitter release and neuronal excitability in both principal cells and interneurons in a developmentally restricted manner. Functional KAR tetramers are assembled from various combinations of five core subunits GluK1-5 and supplemented with auxiliary subunits, Neuropilin and tolloid-like proteins (NETO) 1 and 2 that are not part of the pore-forming receptor. KAR interaction with NETOs affects multiple aspects of KARs like subcellular localization of the receptor complex, receptor gating and current kinetics, and even KAR affinity to main agonists, kainate and glutamate. Despite the accumulating evidence emphasizing the functional significance of NETOs in regulating KAR functions in the adult brain, the role of NETO/KAR complex in the immature brain remains elusive. The main aim of this study was to clarify the physiological significance of NETO/KAR complex in the maturation of hippocampal circuitry. First, we found that NETO1 is an important regulator of physiologically relevant KAR activity at immature glutamatergic synapses. NETO1 deficiency significantly reduced axonal delivery of KARs resulting in loss of presynaptic KAR function and delayed maturation of CA3-CA1 synapses. At the network level, NETO1 deficiency caused impaired synchronization between areas CA3 and CA1 of the hippocampus. This phenotype was fully rescued by GluK1c expression at CA3 principal neurons, emphasizing the role of NETO1 and axonal GluK1-containing immature-type KARs in the development of CA3-CA1 synapses. Next, we showed that NETO1 is necessary for the dendritic delivery of KAR subunits and for formation of KAR-containing synapses in cultured GABAergic neurons. In CA3 interneurons, loss of NETO1 disrupted postsynaptic and metabotropic KAR signaling, while a subpopulation of ionotropic KARs in the somatodendritic compartment remained functional. NETO1 was not necessary to maintain the excitability of the immature CA3 network at physiological levels. However, kainate-dependent modulation of network bursts and GABAergic transmission in the developing hippocampus was significantly impaired in the absence of NETO1. In conclusion, these new findings elucidate the cellular mechanisms and physiological significance of NETO/KAR interaction in hippocampal principal cells and interneurons during the first week of postnatal development. This early period of neural network development is extremely sensitive to external stimuli. Accordingly, disturbances in circuit structure or activity patterns that take place during this “critical period” could predispose to neuropsychiatric disorders later in life.Hermoverkkojen muodostuminen alkaa jo ennen syntymää, jolloin hermosolujen välille alkaa kehittyä synaptisia kontakteja. Synapsien muodostumista ohjaa aluksi sisäsyntyiset geneettiset ja molekulaariset tekijät, jonka jälkeen varhaisten hermoverkkojen synaptisia yhteyksiä hienosäädetään hermosolujen ja synapsien aktiivisuudesta riippuvien mekanismien avulla. Kainaatti-tyypin glutamaattireseptorit (KAR) osallistuvat synapsien muodostumiseen ja hienosäätöön kehittyvissä hermoverkoissa säätelemällä välittäjäaineiden vapautumista ja hermosolujen ärtyvyyttä sekä prinsipaalisoluissa että välihermosoluissa. KAR on alayksiköiden GluK1-5 erilaisista yhdistelmistä koostuva tetrameeri, jota voi täydentää avustava alayksikkö NETO(neuropilin and tolloid like protein)1 tai NETO2. NETO vaikuttaa useisiin KAR:n ominaisuuksiin, kuten reseptorin lokalisaatioon solussa, ionikanavan toimintaan ja ligandiaffiniteettiin. Vaikka NETO - vuorovaikutuksen merkitys KAR:n toiminnalle aikuisen aivoissa tunnetaan, sen tehtäviä hermoston kehityksen aikana ei ole juurikaan aiemmin tutkittu. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää NETO/KAR kompleksin merkitystä hippokampuksen hermoverkkojen kehityksessä. Työn ensimmäisen osan tulokset osoittavat NETO1 proteiinin säätelevän KAR:n aktiivisuutta glutamaattivälitteisissä synapseissa varhaiskehityksen aikana. NETO1 poistaminen esti KAR:n kulkeutumisen hermosolun aksoneihin, minkä seurauksena postnataalivaiheessa hippokampuksen CA3-CA1 synapseista puuttui presynaptinen KAR aktiivisuus ja synapsien kehitys viivästyi. Hermoverkon tasolla NETO1:n puuttuminen johti CA3 ja CA1 alueiden välisen synkronian häiriintymiseen. GluK1c KAR alayksikön yliekspressio CA3 alueella normalisoi NETO1-puutteen aiheuttaman fenotyypin, mikä osoittaa NETO1:n ja GluK1-KAR:n olevan tärkeitä CA3-CA1 synapsien kehitystä sääteleviä tekijöitä. Työn toisessa osassa havaittiin NETO1-proteiinin säätelevän KAR:n alayksiköiden kulkeutumista GABAergisten välihermosolujen dendriitteihin. NETO1:n poistaminen aiheutti postsynaptisten sekä metabotrooppisten KAR-välitteisten vasteiden häviämisen hippokampuksen CA3 alueen välihermosoluissa, sen sijaan osa somatodendriittisten KAR:n ionivasteista säilyi ennallaan. NETO1:n poistaminen ei vaikuttanut CA3 alueen hermoverkon ärtyvyyteen varhaisen postnataalivaiheen aikana. Hermoverkon ja GABAergisen järjestelmän toiminnan KAR-riippuva säätely oli kuitenkin huomattavasti häiriintynyt NETO1:n poistamisen seurauksena. Työn tulokset selvittävät NETO1/KAR interaktion solutason vaikutuksia sekä fysiologista merkitystä hippokampuksen prinsipaalihermosoluissa sekä välihermosoluissa varhaisen postnataalivaiheen aikana. Tässä kehitysvaiheessa hermoverkot ovat alttiita ulkoisille häiriöille. Pienetkin rakenteelliset tai toiminnalliset häiriöt hermoverkon kehityksessä tämän ’kriittisen’ vaiheen aikana altistavat neuropsykiatrisille sairauksille myöhemmällä iällä.
Subject: 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

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record