Electronmicroscopic and molecular characterization of neurons responsible for energy-homeostasis in the rodent hippocampus  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
83830
Type K
Principal investigator Rácz, Bence
Title in Hungarian Az energiaháztartásért felelős neuronok elektronmikroszkópos és molekuláris jellemzése rágcsáló hippokampuszban
Title in English Electronmicroscopic and molecular characterization of neurons responsible for energy-homeostasis in the rodent hippocampus
Keywords in Hungarian dendrit, tanulás, memória, anatómia, idegsejt, citoszkeleton, elekronmikroszkópia, immunhisztokémia
Keywords in English dendrite, learning, memory, anatomy, neuron, cytoskeleton, electronmicroscopy, immunohistochemistry
Discipline
Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Veterinary medicine
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Dept. of Anatomy and Histology (Szent István University)
Participants Halasy, Katalin
Hazai, Diána
Hegedűs, Tamás Zoltán
Sótonyi, Péter
Starting date 2011-03-01
Closing date 2015-06-30
Funding (in million HUF) 22.801
FTE (full time equivalent) 3.51
state closed project
Summary in Hungarian
Az elhízás hatalmas méretű terjedése miatt intenzív kutatás fókusza azon agyterületek meghatározása, amelyek metabolikus vagy hormonális úton szerepet játszanak a táplálékbevitel szabályozásában. Napjainkra vált egyértelművé, hogy ezen viselkedési folyamatok tanulási magatartás-mintázatokkal hozhatók összefüggésbe, ezért a háttérben húzódó neuronális mechanizmusok ismerete elengedhetetlen ezek megértéséhez. Az utóbbi években a hippokampusz (amely a tanulás és memóriafolyamatok szempontjából a legjelentősebb agyterület) egyre nagyobb figyelmet kap sokrétű idegi funkciói miatt. Példáula a gherlin (amely egy béltraktus által termelt hormon alapvető energiaszabályozási hatásokkal) szinapszisképződést és tartós hatásnövekedést (”LTP”) képes kiváltani a hippokampuszban. A hippokapmusz térbeli tájékozódást és memóriát kialakító funkciója mellett igen fontos szerepet játszik a szervezet belső miliőjéből érkező információk (pl. szomjúság vagy éhség) viselkedési mintázatokká alakításában, ezáltal kapcsolófunkciót lát el a motiváció és emléknyomok koordinált viselkedéssé alakításában. Az éhségérzet amellett, hogy élettani változásokat indukál ezen agyterületen, nagy valószínűséggel morfológiai változásokat is előidéz a hippokampusz plasztikus ideghálózatában.Tanulási folyamatok egyértelműen előidéznek ilyen változásokat, de arról igen kevés ismeretünk van, hogy milyen morfológiai változások történnek a szinaptikus környezetben különböző specifikus és meghatározott motivációs hatásokra. Az előagy glutamáterg axonterminálisainak túlnyomó többsége aktinban gazdag dendrittüskéken végződik. A tüskék funkciója igen sokrétű, azonban általánosan elfogadott, hogy a dendrittüskék biokémiai kompartmentalizációt biztosítanak a beérkező szinaptikus információ szelektív modulációjához.
Az tüskeszinapszisok PSD-a dinamikus és befolyásolható; az AMPA receptorok kvantitatív változásai egyértelműen viselkedési és tanulási folyamatokhoz köthetők. Ma már egyértelmű, hogy ezeket a szinaptikus molekuláris változásokat szorosan követik a tüskék morfológiájában bekövetkező változások. A tüskék alakja és mérete preszinaptikus aktivitásmintázatoknak megfelelően változik, ezáltal tartós plaszticitási folyamatokat idéznek elő. Mivel a tüskék alakját a bennük található aktin citoszkeleton határozza meg, ezen változások alapjául az aktin-filamentumok (f-aktin) szabályozott működése szolgál. Ez az ún. aktivitás-függő aktin átalakítási folyamat igen komplex kapcsolatra utal a PSD és az aktin-alapú „tüskeváz” között. Olyan hatóanyagok, amelyek megzavarják az aktin citoszkeleton megfelelő dinamizmusát hasonló hatást gyakorolnak a szinaptikus plaszticitási folyamatokra is. Mivel a tüskék alak és méretváltozásai alapvető szerepet játszanak a szinaptikus hatékonyság kialakításában, olyan proteineket vizsgálunk, amelyek kulcsszerepet játszanak az f-aktin szabályozásában. Vizsgálatainkat a rágcsáló hippokampusz CA1 régióján végezzük, amely a szinaptikus plaszticitási folyamatok egyik legkedveltebb modell területe.
Cél 1.: Három, funkcionálisan különböző aktin szabályozó fehérje tüskeplazma organizációjának változásai éheztetés hatására
Cél 2.: Két új aktinszabályozó fehérje (Coronin és WAVE-1) vizsgálata a dendrittüskékben, amelyek evolúciósan konzervált aktin szabályozó fehérjék
Summary
The recent epidemic of obesity has stimulated extensive research to identify brain regions where metabolic and hormonal signals modify food intake. Accumulating evidence suggests that a major component of this problem involves learned behavior; thus, the role of learning and memory in the control of eating, appetitive- and food searching behavior must be considered in order to understand underlying neuronal mechanisms. Recent work implicates the hippocampus (a brain structure critical to learning and memory) in energy regulation. For example, gherlin, a gut hormone with vital effect on energy balance, can promote synaptogenesis and enhance long-term potentiation (LTP) in the hippocampus. Beyond coding spatiotemporal context, the hippocampus plays an important role in encoding relationships between internal states (especially thirst or hunger) and action, thus providing a mechanism by which motivation and memory are coordinated to guide behavior. Besides inducing physiological changes in hippocampal activity, appetitive drives likely trigger morphological changes in this plastic network. We now have considerable evidence that learning tasks can stimulate such changes, but to date we have very little knowledge about possible morphological changes in the synaptic neuropil under specific defined motivational conditions.
Glutamatergic axons of the forebrain and especially of the hipocampus terminate predominantly onto actin-rich dendritic thorns or "spines." Though they may perform multiple functions, it is generally agreed that spines provide biochemical compartmentalization, permitting selective modulation of the incoming synaptic message. Spine morphology is closely linked to synaptic efficacy: spines with large heads are associated with large postsynaptic densities (PSDs) that express numerous AMPA-type glutamate receptors, whereas spines with small heads are sites of weak or "silent" synaptic connections.
Axospinous PSDs are dynamic and modifiable; changes in their expression of AMPA receptors are implicated in behavioral learning. An emerging consensus links these synaptic changes directly to changes in spine morphology: the spine head can grow or shrink in response to patterns of presynaptic activity that induce long-term synaptic plasticity. Since the morphology of a spine is determined by its actin cytoskeleton, regulated remodeling of actin filaments must underlie these shape changes. This activity-dependent remodeling implies complex signaling pathways between the PSD and the actin-based “spinoskeleton”. Importantly, agents that interfere with actin remodeling also interfere with synaptic plasticity. In view of the pivotal role of spine "morphing" for sustained changes in synaptic efficacy, we want to study the organization of proteins within the spine likely to regulate remodeling of F-actin. We will focus on the CA1 field of rodent hippocampus, a particularly favorable model for studies of synaptic plasticity.
Specific aim 1 is to elucidate the changes of the organization of three functionally-distinct actin binding proteins in spines during fasting.
Specific aim 2 is to study the organization of coronin and WAVE-1, evolutionarily conserved regulators of actin remodeling, within dendritic spines.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Az emlős előagy glutamáterg axonjai elsősorban dendrittüskéken végződnek. Ezen serkentő szinaptikus kapcsolatok hatékonyságának tartós változásait szorosan követik a dendrittüskék alakjában bekövetkező változások is. Az ilyen módon kialakuló ún. strukturális szinaptikus plaszticitás hátterében számos enzimrendszer húzódik, melyek elsősorban a citoszkeletális elemeket szabályozzák. Számos adat utal arra, hogy a neuronális citoszkeleton és szabályozó enzimei sarkalatos szerepet játszanak a normális és kóros agyi funciók kivitelezésében és metabolikus hatásokra is reagálnak. Eredményeink szerint az Arp2/3 enzimkomplex szignalizációs hibája jellegzetes szinaptikus defektust eredményez, amely neuropszichiátriai kórképek kialakulásához vezethet. Kimutattuk, hogy a Septin cytoskeletális fehérje befolyásolja a dendrittüskéken a receptorok diffúzióját, ezáltal modulálva a szinaptikus hatékonyságot. Továbbá egy protein kinázról (PKD) mutattuk ki, hogy alapvető szerepet játszik a tüskék morfológiájának kialakításában és a hippokampális funkciókban (tanulás, memória). Végezetül kimutattuk, hogy a rövid idejű táplálékcsökkentés hatással van a hippokampális szinapszisok ultrastrukturájára, mivel ez a metabolikus változás a tüskék morfológiáját a hatékonyabb szinaptikus jelátvitel irányába módosítja. Eredményeink új megvilágításba helyezik eddigi ismereteinket a dendrittüskék szerkezetéről, és új lehetőségeket kínálnak a normális és kóros agyi funkciók megértéséhez.
Results in English
Glutamatergic axons in the mammalian forebrain terminate predominantly onto dendritic spines. Long-term changes in the efficacy of these excitatory synapses are tightly coupled to changes in spine morphology. The reorganization of the cytoskeleton underlying this spine “morphing” involves numerous proteins that provide the machinery needed for adaptive synaptic plasticity. Accumulating evidence suggests that the cytoskeleton and its regulatory enzymes play a pivotal role in normal and pathological brain function, and it may also be influenced by metabolic changes. Our findings show, that errors in the signaling toward the Arp2/3 complex result in a characteristic spine pathology, that may lead to neuropsychiatric disorders. We also found, that a cytoskeletal protein-complex called Septin, may also contribute to the diffusion of synaptic receptors, and thereby can influence synaptic efficacy. In addition, we showed, that a protein kinase (PKD) may also play a significant role in dendritic spine morphology and hippocampal function. Last, but not least, we described, that metabolic changes - e.g. short-term food restriction - can also influence hippocamapl spines, inducing ultrastructural changes that may result in enchanced synaptic efficacy. Our results provide novel insight into the structural organization of dendritic spines, offering a novel window into mechanisms underlying normal and pathological brain function
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83830
Decision
Yes





 

List of publications

 
Il Hwan Kim, Bence Racz, Hong Wang, Lauren Burianek, Richard Weinberg, Ryohei Yasuda, William C Wetsel, Scott H Soderling: Disruption of Arp2/3 Results in Asymmetric Structural Plasticity of Dendritic Spines and Progressive Synaptic and Behavioral Abnormalities, J NEUROSCI 33: (14) 6081-6092, 2013
Il Hwan Kim, Mark A Rossi, Dipendra K Aryal, Bence Racz, Namsoo Kim, Akiyoshi Uezu, Fan Wang, William C Wetsel, Richard J Weinberg, Henry Yin, Scott H Soderling: Spine pruning drives antipsychotic-sensitive locomotion via circuit control of striatal dopamine, NAT NEUROSCI 18: 883-891, 2015
Il Hwan Kim, Bence Racz, Hong Wang, Lauren Burianek, Richard Weinberg, Ryohei Yasuda, William C Wetsel, Scott H Soderling: Disruption of Arp2/3 Results in Asymmetric Structural Plasticity of Dendritic Spines and Progressive Synaptic and Behavioral Abnormalities, J NEUROSCI 33: (14) 6081-6092, 2013
Norbert Bencsik, Zsófia Szíber, Hanna Liliom, Krisztián Tárnok, Sándor Borbély, Márton Gulyás, Anikó Rátkai, Attila Szűcs, Diána Hazai-Novák, Kornelia Ellwanger, Bence Rácz, Klaus Pfizenmaier, Angelika Hausser, and Katalin Schlett: Protein kinase D promotes plasticity-induced F-actin stabilization in dendritic spines and regulates memory formation, Journal of Cell Biology, 2015
Helge Ewers, Tomoko Tada, Jennifer D Petersen, Bence Racz, Morgan Sheng, Daniel Choquet: A Septin-Dependent Diffusion Barrier at Dendritic Spine Necks, PLOS ONE 9: (12) e113916, 2014
Rácz B, Hazai D, Czeibert K, Sótonyi P: Citoszkeletális eredetű neurológiai kórkép kvantitatív elektronmikroszkópos vizsgálata egérmodellen, MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA 136: (1) 52-58, 2014
Rácz Bence: Az agy mikroanatómiája, ÉLET ÉS TUDOMÁNY LXIX: (39) 1225-1227, 2014
Rácz B, Hazai D, Czeibert K, Sótonyi P: Citoszkeletális eredetű neurológiai kórkép kvantitatív elektronmikroszkópos vizsgálata egérmodellen, MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA 136: (1) 52-58, 2014
Réka Babits, Péter Sótonyi, Bence Rácz: Caloric-Restriction and th e Hippocampus: Ultrastructural Link Between Food-Intake and Synaptic Architecture, IBRO Workshop, 2014 January 16-17, Debrecen, Hungary, 2014
Bence Rácz: Molecular architecture of the hippocampal dendritic spines, 8th IBRO World Congress - Scientific Program, 2011
Bence Rácz, Róbert Szudoczki, Scott H. Soderling, Richard J. Weinberg: Ultrastructural abnormalities in dendritic spines caused by deletion of the actin regulator WAVE-1, 872.15/E11 2011 Neuroscience Meeting Planner. Washington, DC: Society for Neuroscience, 2011. Online., 2011
R. Szudoczki , P. Sótonyi, SH Soderling , RJ Weinberg , B Rácz: Ultrastructural abnormalities in dendritic spines caused by deletion of the actin regulator WAVE-1, Ideggyógyászati szemle - Clinical neuroscience 65 (1) p. 66, 2012
Bence Rácz: High resolution immuno-EM mapping of the cytoskeletal machinery in neuronal dendritic spines, CIMST Microscopy & Nanoscopy Seminar, 2011
Rácz B., Weinberg RJ.: Microdomains in forebrain spines: an ultrastructural perspective, Molecular Neurobiology 47(1) pp 77-89, 2013
Réka Blanka Babits, Diána Hazai, Balázs Szőke, Péter Sótonyi and Bence Rácz: Short-term caloric restriction induced ultrastructural changes in hippocampus, Magyar Idegtudományi Társaság XIV. Konferenciája, 2013. január 17-19., Budapest, 2013
Il Hwan Kim, Bence Racz, Hong Wang, Lauren Burianek, Richard Weinberg, Ryohei Yasuda, William C Wetsel, Scott Soderling: Disruption of Arp2/3 Results in Asymmetric Structural Plasticity of Dendritic Spines and Progressive Synaptic and Behavioral Abnormalities, Journal of Neuroscience (közlésre elfogadva), 2013
Rácz, Bence, Hazai, Diána, Weinberg,Richard, Sótonyi, Péter: Organization of the actin-regulator Coronin in hippocampus, A Magyar Élettani Társaság, a Magyar Anatómusok Társasága, a Magyar Biofizikai Társaság és a Magyar Mikrocirkulációs és Vaszkuláris Biológiai Társaság Kongresszusa, 2012
Rácz B., Weinberg RJ.: Microdomains in forebrain spines: an ultrastructural perspective, Molecular Neurobiology 47(1) pp 77-89, 2013
Hazai Diána, Szudoczki Róbert, Ding Jindong, Soderling Scott H, Weinberg Richard J, Sótonyi Péter, Rácz Bence: Ultrastructural Abnormalities in CA1 Hippocampus Caused by Deletion of the Actin Regulator WAVE-1, PLOS ONE 8: (9) e75248, 2013





 

Events of the project

 
2012-11-19 10:59:35
Résztvevők változása




Back »