Klinik und Poliklinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie
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Ultrastructural analysis of wild-type and RIM1α knockout active zones in a large cortical synapse
(2022)
Rab3A-interacting molecule (RIM) is crucial for fast Ca\(^{2+}\)-triggered synaptic vesicle (SV) release in presynaptic active zones (AZs). We investigated hippocampal giant mossy fiber bouton (MFB) AZ architecture in 3D using electron tomography of rapid cryo-immobilized acute brain slices in RIM1α\(^{−/−}\) and wild-type mice. In RIM1α\(^{−/−}\), AZs are larger with increased synaptic cleft widths and a 3-fold reduced number of tightly docked SVs (0–2 nm). The distance of tightly docked SVs to the AZ center is increased from 110 to 195 nm, and the width of their electron-dense material between outer SV membrane and AZ membrane is reduced. Furthermore, the SV pool in RIM1α\(^{−/−}\) is more heterogeneous. Thus, RIM1α, besides its role in tight SV docking, is crucial for synaptic architecture and vesicle pool organization in MFBs.
Introduction
Neurotransmitter release at presynaptic active zones (AZs) requires concerted protein interactions within a dense 3D nano-hemisphere. Among the complex protein meshwork the (M)unc-13 family member Unc-13 of Drosophila melanogaster is essential for docking of synaptic vesicles and transmitter release.
Methods
We employ minos-mediated integration cassette (MiMIC)-based gene editing using GFSTF (EGFP-FlAsH-StrepII-TEV-3xFlag) to endogenously tag all annotated Drosophila Unc-13 isoforms enabling visualization of endogenous Unc-13 expression within the central and peripheral nervous system.
Results and discussion
Electrophysiological characterization using two-electrode voltage clamp (TEVC) reveals that evoked and spontaneous synaptic transmission remain unaffected in unc-13\(^{GFSTF}\) 3rd instar larvae and acute presynaptic homeostatic potentiation (PHP) can be induced at control levels. Furthermore, multi-color structured-illumination shows precise co-localization of Unc-13\(^{GFSTF}\), Bruchpilot, and GluRIIA-receptor subunits within the synaptic mesoscale. Localization microscopy in combination with HDBSCAN algorithms detect Unc-13\(^{GFSTF}\) subclusters that move toward the AZ center during PHP with unaltered Unc-13\(^{GFSTF}\) protein levels.
Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have revolutionized the generation of experimental disease models, but the development of protocols for the differentiation of functionally active neuronal subtypes with defined specification is still in its infancy. While dysfunction of the brain serotonin (5-HT) system has been implicated in the etiology of various neuropsychiatric disorders, investigation of functional human 5-HT specific neurons in vitro has been restricted by technical limitations. We describe an efficient generation of functionally active neurons from hiPSCs displaying 5-HT specification by modification of a previously reported protocol. Furthermore, 5-HT specific neurons were characterized using high-end fluorescence imaging including super-resolution microscopy in combination with electrophysiological techniques. Differentiated hiPSCs synthesize 5-HT, express specific markers, such as tryptophan hydroxylase 2 and 5-HT transporter, and exhibit an electrophysiological signature characteristic of serotonergic neurons, with spontaneous rhythmic activities, broad action potentials and large afterhyperpolarization potentials. 5-HT specific neurons form synapses reflected by the expression of pre- and postsynaptic proteins, such as Bassoon and Homer. The distribution pattern of Bassoon, a marker of the active zone along the soma and extensions of neurons, indicates functionality via volume transmission. Among the high percentage of 5-HT specific neurons (~ 42%), a subpopulation of CDH13 + cells presumably designates dorsal raphe neurons. hiPSC-derived 5-HT specific neuronal cell cultures reflect the heterogeneous nature of dorsal and median raphe nuclei and may facilitate examining the association of serotonergic neuron subpopulations with neuropsychiatric disorders.
The transport of glucose across the cell plasma membrane is vital to most mammalian cells. The glucose transporter (GLUT; also called SLC2A) family of transmembrane solute carriers is responsible for this function in vivo. GLUT proteins encompass 14 different isoforms in humans with different cell type-specific expression patterns and activities. Central to glucose utilization and delivery in the brain is the neuronally expressed GLUT3. Recent research has shown an involvement of GLUT3 genetic variation or altered expression in several different brain disorders, including Huntington’s and Alzheimer’s diseases. Furthermore, GLUT3 was identified as a potential risk gene for multiple psychiatric disorders. To study the role of GLUT3 in brain function and disease a more detailed knowledge of its expression in model organisms is needed. Zebrafish (Danio rerio) has in recent years gained popularity as a model organism for brain research and is now well-established for modeling psychiatric disorders. Here, we have analyzed the sequence of GLUT3 orthologs and identified two paralogous genes in the zebrafish, slc2a3a and slc2a3b. Interestingly, the Glut3b protein sequence contains a unique stretch of amino acids, which may be important for functional regulation. The slc2a3a transcript is detectable in the central nervous system including distinct cellular populations in telencephalon, diencephalon, mesencephalon and rhombencephalon at embryonic and larval stages. Conversely, the slc2a3b transcript shows a rather diffuse expression pattern at different embryonic stages and brain regions. Expression of slc2a3a is maintained in the adult brain and is found in the telencephalon, diencephalon, mesencephalon, cerebellum and medulla oblongata. The slc2a3b transcripts are present in overlapping as well as distinct regions compared to slc2a3a. Double in situ hybridizations were used to demonstrate that slc2a3a is expressed by some GABAergic neurons at embryonic stages. This detailed description of zebrafish slc2a3a and slc2a3b expression at developmental and adult stages paves the way for further investigations of normal GLUT3 function and its role in brain disorders.
Dysregulated IGFBP5 expression causes axon degeneration and motoneuron loss in diabetic neuropathy
(2015)
Diabetic neuropathy (DNP), afflicting sensory and motor nerve fibers, is a major complication in diabetes.The underlying cellular mechanisms of axon degeneration are poorly understood. IGFBP5, an inhibitory binding protein for insulin-like growth factor 1 (IGF1) is highly up-regulated in nerve biopsies of patients with DNP. We investigated the pathogenic relevance of this finding in transgenic mice overexpressing IGFBP5 in motor axons and sensory nerve fibers. These mice develop motor axonopathy and sensory deficits similar to those seen in DNP. Motor axon degeneration was also observed in mice in which the IGF1 receptor(IGF1R) was conditionally depleted in motoneurons, indicating that reduced activity of IGF1 on IGF1R in motoneurons is responsible for the observed effect. These data provide evidence that elevated expression of IGFBP5 in diabetic nerves reduces the availability of IGF1 for IGF1R on motor axons, thus leading to progressive neurodegeneration. Inhibition of IGFBP5 could thus offer novel treatment strategies for DNP.
Depressive Erkrankungen verursachen sowohl das persönliche Leid der erkrankten Individuen als auch volkswirtschaftlichen Schaden durch krankheitsbedingten Arbeitsausfall und Belastung der Gesundheitsversorgungssysteme. Therapeutische Konzepte wie die Anwendung pharmakotherapeutischer Intervention sind in unterschiedlichem Maß von Erfolg gekrönt.
Zahlreiche somatische Faktoren wurden mit der Ätiologie depressiver Störungen in Verbindung gebracht. Die primär verfolgten pharmakologischen Ansätze basieren nach wie vor auf Erkenntnissen aus der Mitte des vergangenen Jahrhunderts. In erster Linie setzt die Pharmakotherapie Substanzen ein, die die Wiederaufnahme monoaminerger Neurotransmitter (Serotonin, Noradrenalin, zum Teil auch Dopamin) aus dem synaptischen Spalt inhibieren und nach einer allerdings meist mehrwöchigen, regelmäßigen Einnahme des Präparates zu einem Rückgang der depressiven Symptomatik führen. Andererseits kann jedoch bei zahlreichen Erkrankten auch nach fortgesetzter Therapie mit verschiedenen Behandlungsansätzen keine Remission verzeichnet werden und es stellt sich die Frage nach der Ursache dieser Diskrepanz.
Im Fokus der vorliegenden Arbeit stand der als Antidepressivum eingesetzte selektive Serotonin- / Noradrenalin-Wiederaufnahme-Inhibitor Venlafaxin. Durch Blockade des präsynaptischen Serotonin- und Noradrenalin-Transporters führt Venlafaxin initial zu einer intensivierten Neurotransmission. Die Zielstrukturen von Venlafaxin sind der präsynaptische Serotonin- und der Noradrenalin-Transporter, wobei aufgrund unterschiedlicher Affinität eine geringe Dosis beziehungsweise Konzentration als rein serotonerg betrachtet wird und bei einer hohen Dosis beziehungsweise Konzentration sowohl die Wiederaufnahme von Serotonin als auch Noradrenalin inhibiert wird.
Es wurden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt. Im ersten Teil wurde mittels Gen-expressionsuntersuchungen nach potentiellen Effektoren von Venlafaxin gesucht, um prinzipielle Mechanismen der antidepressiven Wirkung zu identifizieren und auf ihrer Basis die Entwicklung spezifischerer Intervention zu ermöglichen.
Der zweite Teil beinhaltet eine pharmakogenetische Untersuchung am Menschen. Ziel war zu evaluieren, inwieweit die Expressionsaktivität von SLC6A2 und SLC6A4 und damit die präsynaptische Transportkapazität in Kombination mit der Serumkonzentration aktiver Substanz als Prädiktor des therapeutischen Effektes dienen kann. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge würde bei Vorliegen eines bestimmten Genotyps eine gezieltere Titration der individuell benötigten Konzentration ermöglichen und könnte die Effektivität der Therapie steigern.
Für die Genexpressionsuntersuchungen erhielten DBA/2-Mäuse über einen Zeitraum von 30 Tagen Venlafaxin in verschiedenen Dosierungen über das Trinkwasser. Anschließend wurden die Hippokampi der Tiere mittels genomweiter Microarray-Analyse hypothesenfrei auf zwischen den Dosisgruppen differentiell exprimierte Gene hin untersucht. Der Hippokampus wird als zentrales Element der Steuerung, Ausbildung und Veränderung von Verhaltensmustern gesehen. Signifikant differentiell exprimierte Gene, die in vorherigen Studien mit depressiver Erkrankung beziehungsweise einem Effekt psychiatrischer Medikation assoziiert worden waren, wurden mittels qRT-PCR-Analyse validiert. Im Anschluss an die Analyse im Tier wurden als differentiell exprimiert bestätigte Gene per qRT-PCR analog in humanen Leukozyten untersucht. Die Blutproben waren in einem klinisch-naturalistischen Design während der ersten und der fünften Woche einer Venlafaxin-Pharmakotherapie von Patienten der Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Universitätsklinikums Würzburg gewonnen worden, das heißt vor und nach potentiellem Eintreten der antidepressiven Wirkung. Trotz der unterschiedlichen Herkunft der analysierten Gewebe könnten auf diesem Weg Hinweise auf Vorgänge im menschlichen Gehirn gefunden werden, wie in vergleichenden post mortem Untersuchungen zwischen peripherem und zentralem humanem Material erkannt worden war.
Die in der Tierstudie identifizierten Gene kodieren für Transkriptionsfaktoren sowie Proteine die als Teil von second messenger-Kaskaden bekannt sind. Von statistischer Signifikanz erwies sich in der Analyse der humanen Leukozyten die Expressionsreduktion der mRNA der Transkriptionsfaktor-Untereinheit Fos.
Befunde zu einer Funktion von Fos, die eine Interpretation im Bezug auf den antidepressiven Effekt von Venlafaxin ermöglichen, liegen lediglich aus Tierstudien vor. Fos-ko im Hippo-kampus von Mäusen wurde mit reduziertem Angstverhalten und höherer Exzitabilität von hippokampalen Neuronen assoziiert. Auch wurde eine Assoziation mit Vorgängen bei synaptischer Plastizität und damit potentiell bei Lernvorgängen gefunden. Auf der anderen Seite wurde depressions-ähnliches Verhalten bei Ratten mit niedriger hippokampaler Fos-Expression und dessen erfolgreiche pharmakologische "Therapie" mit einer Induktion der Fos-Expression assoziiert. Es scheinen also bereits zwischen nicht-menschlichen Spezies ausgeprägte Unterschiede der Rolle von Fos beziehungsweise Fos zu bestehen.
Aufgrund der unterschiedlichen Spezies und Gewebe in den hier durchgeführten Untersuchungen sowie den uneinheitlichen Befunden bezüglich der Rolle von Fos beziehungsweise Fos in vorangegangenen Studien kann abschließend lediglich konstatiert werden, dass Fos vermutlich an der Entstehung depressionsbegünstigender Physiologie beteiligt ist und auch, dass eine antidepressive Pharmakotherapie mit Venlafaxin ihre Wirkung vermutlich unter Beteiligung von Fos entfaltet.
Die Entwicklung innovativer Antidepressiva die unter Umgehung der monoaminergen Transmissionssysteme durch gezielte Reduktion der Fos-Abundanz das therapeutische Ziel erreichen lassen, könnte auf Basis der vorliegenden Studie angedacht werden, scheint allerdings aufgrund der ubiquitären Mediatorentätigkeit des Proteins und insbesondere aufgrund seiner nicht endgültig definierten Rolle bei der Entstehung von Krebs nicht praktikabel. Zukünftige Untersuchungen sollten daher auf andere im Microarray differentiell exprimiert gefundene Gene fokussieren.
In die Untersuchung der Expressionsaktivität der für die primären Zielstrukturen von Venlafaxin (Serotonin- beziehungsweise Noradrenalin-Transporter) kodierenden Gene (SLC6A4 beziehungsweise SLC6A2) und der Serumkonzentration an aktiver Substanz nach Venlafaxin-Applikation im Hinblick auf deren Prädiktivität des therapeutischen Effektes, wurden in einem klinisch-naturalistischen Design Patienten der Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Universitätsklinikums Würzburg eingeschlossen. Genotypisiert wurden für SLC6A2 der SNP rs28386840 und für SLC6A4 der Polymorphismus 5-HTTLPR. Die Genotypen wurden jeweils in niedrig- und hoch-exprimierend unterteilt und damit auf die phänotypische Transportkapazität der präsynaptischen Membran Bezug genommen. Der therapeutische Erfolg wurde anhand der CGI-I-Skala evaluiert und für die Analysen in "gutes Ansprechen" und "schlechtes Ansprechen" dichotomisiert.
Der SLC6A2-Polymorphismus zeigte sich als nicht mit dem therapeutischen Effekt assoziiert. Der hochexprimierende SLC6A4-Genotyp wurde signifikant mit einem schlechteren Ansprechen assoziiert. Dies war in den nach Serumkonzentration aktiver Substanz stratifizierten Unterkollektiven insbesondere in dem Bereich zwischen 200 und 400 ng / ml zu erkennen, wohingegen unter- und oberhalb dieses Bereiches keine Assoziation zu finden war.
Aus diesen Resultaten kann gefolgert werden, dass sich aus der Genotypisierung von rs28386840 keine therapeutischen Instruktionen ableiten lassen. Bei Kenntnis des 5-HTTLPR-Genotyps könnte für den klinischen Alltag die Empfehlung ergehen, falls Venlafaxin als sSNRI bei Patienten mit hochexprimierendem Genotyp eingesetzt werden soll, eine Serumsummenkonzentration jenseits des durch die AGNP empfohlenen Bereiches (100 - 400 ng / ml) anzustreben.
Da hier jedoch lediglich eine Stichprobe von 56 Patienten untersucht und insbesondere, da zahlreiche potentielle Kofaktoren des therapeutischen Effektes nicht in die Analyse einbezogen werden konnten, ist die Assoziation vor Anwendung in der Therapiesteuerung anhand umfassenderer prospektiver kontrollierter Studien zu validieren.