Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Dept. of Anatomy and Histology (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences)
Starting date
2006-02-01
Closing date
2009-01-31
Funding (in million HUF)
12.328
FTE (full time equivalent)
2.55
state
closed project
Summary in Hungarian
A piramissjetek dendrittüskéi - a serkentő szinaptikus terminálisok elsődleges célpontjai az emlős előagyban - már régóta a tudományos figyelem középpontjába kerültek a különféle idegrendszeri plaszticitási folyamatokban (tanulás, memória) betöltött szerepük miatt. Morfológiájuk szabályozásában fellépő anomáliák igen súlyos neuropszichiátriai kórképek kialakulásához vezetnek. A molekuláris mechanizmusok azonban, amik az idegsejt-aktivitást morfológiai változásokká alakítják alig ismertek. A dendrittüskék alapvető citoszkeletális eleme az F-aktin. Számos adat világít rá, hogy dinamikus alakváltozásaikat biztosító gyors, aktin-függő folyamatok nemcsak a serkentő neurotranszmitter glutamát kontrollja alatt állnak, hanem aktin-szabályozó fehérjék is kulcsszerepet játszanak a dendrittüskék morfológiájának szabályozásában. Ugyanakkor nagyon kevés ismerettel rendelkezünk az aktin-szabályozó fehérjék anatómiai megoszlásáról az emlős idegrendszerben. A szinaptikus memóriáért felelős dendrittüskék "mikroanatómiájának" karakterizálása nagymértékben hozzájárulna az idegrendszer normális és pathológiás működésének megértéséhez. Jelen pályázat alapvető célja, hogy feltérképezze a felnőtt és fejlődő hippokampusz piramissejtjeinek dendrittüskéiben található különböző aktin-szabályozó fehérjéket komplex, korrelált fény- és elektronmikroszkópos anatómiai módszerekkel. Ezen vizsgálatokkal folytatni szeretném a dendrittüskék mikroanatómiai szerkezetének feltárását, és megállapítani, hogyan áll a dendrittüskék sokszínűsége a szinaptikus plaszticitás szolgálatában.
Summary
Dendritic spines, the principle target of excitatory synaptic input in the mammalian forebrain, are heterogeneous in structure and stability. Accumulating evidence suggests that changes in spine dimensions play an important role in long-term synaptic plasticity. Spine structure may provide the physical substrate for learning and memory in neuronal networks, and abnormalities in the regulation of spine morphology may contribute to neuropsychiatric disease, but the cellular mechanisms that convert activity into morphological change remain poorly understood. Spines contain high levels of cytoskeletal F-actin. Recent evidence that rapid actin-based motility is controlled by glutamate implicates actin-regulating proteins as key elements in these morphological changes. Biochemical mechanisms underlying actin remodeling have been studied extensively, but almost nothing is yet known of the organization of the actin-binding proteins that mediate remodeling in dendritic spines. My overall goal is to create a molecular map of actin-regulatory proteins in pyramidal cell spines in the developing and adult hippocampus using light and electronmicroscopy. I plan to further reveal the arrangement of molecular components and membrane domains within spines that define their ‘microanatomy’ and how the dynamic morphology of spines subserves neuronal plasticity. Basic research of this type should lead to progress in identifying the common principles that link synaptic function with psychiatric health and disorder.
Final report
Results in Hungarian
A dendrittüskékben magas koncentrációban található szerkezeti fehérje az aktin. Megállapítottuk, hogy a cofilin (amely a filamentumok depolimerizációjáért felelős) a dendrittüskék citoplazmájának membránhoz közeli régiójában található, míg a dendrittüske centrális részén alig fordul elő. Az Arp2/3 komplex (amely a fiamentum elágazódásokért felelős) ugyanakkor a tüskék nem-szinaptikus membránjához közel, de azzal nem asszociálódva egy sávban helyezkedik el és a tüskék geometriai középpontját is elkerüli, de magasabb koncentrációt mutat a tüskék ún. endocitótikus zónájának területén. Továbbá megállapítottuk, hogy az aktin citoszkeleton nem játszik aktív szerepet az endocitótikus zónája helyének kialakításában, ebben elsősorban szinaptikus fehérjék vesznek részt a dynamin nevű fehérjével kölcsönhatásban.
Eredmények alátámasztják azt a feltételezést, hogy a dendrittüskék citoszkeletonja rendkívüli módon rendezett. Az aktin szabályozó fehérjék nagyfokú térbeli szegregáltságának köszönhetően az egyes aktin-átalakítási folyamatok egymástól szeparáltan történnek. Ez alapvetően hozzájárul a dendrittüskék aktivitásfüggő plasztikus tulajdonságainak kialakításához.
Results in English
Actin can be found in high concentration in dendritic spines and serves as the primary cytoskeletal protein. We described, that cofilin (an actin depolimerizator) concentrates within the spinoplasm just beneath the plasma membrane, while it is scarce in the center of the spine. The Arp2/3 complex, which is responsible for the branching of actin filaments, is localized within a torroidal domain, away from the plasma membrane, but also away from the geometrical center of the spine. However, it is also highly concentrated at the endocytic zone. Furthermore we described, that the actin cytoskeleton is not responsible for the definition of the exact location of the endocytic zone, however synaptic proteins (shank, homer) define the location of the EZ with their interaction with dynamin.
Our results support that the cytoskeleton of dendritic spines are highly organized. Due to the precise spatial organization of actin-binding proteins, actin remodeling is also likely to be spatially segregated. This actin-cytoskeletal design may play a pivotal role in the precise activity-dependent remodeling of dendritic spines.
Bence Racz, Richard J Weinberg: Organization of the Arp2/3 complex in hippocampal spines, Journal of Neuroscience 28(22):5654-9, 2008
Lu J., Helton T.D., Blanpied T.A., Racz B., Newpher T.M., Weinberg R.J., Ehlers M.D.: Postsynaptic Positioning of Endocytic Zones and AMPA Receptor Cycling by Physical Coupling of Dynamin-3 to Homer, Neuron 55 (6), pp. 874-889, 2007
Bence Racz, Richard J Weinberg: Spatial organization of cofilin in dendritic spines, Neuroscience, 138(2):447-456, 2006
Bence Racz: Mapping of protein domains in dendritic spines, 12. MITT Konferencia, Budapest / Frontiers in neuroscience, 2009
