Heparin-binding growth-associated molecule (HB-GAM) in activity-dependent neuronal plasticity in hippocampus

Cell adhesion and extracellular matrix (ECM) molecules play a significant role in neuronal plasticity both during development and in the adult. Plastic changes in which ECM components are implicated may underlie important nervous system functions, such as memory formation and learning. Heparin-binding growthassociated molecule (HB-GAM, also known as pleiotrophin), is an ECM protein involved in neurite outgrowth, axonal guidance and synaptogenesis during perinatal period. In the adult brain HB-GAM expression is restricted to the regions which display pronounced synaptic plasticity (e.g., hippocampal CA3-CA1 areas, cerebral cortex laminae II-IV, olfactory bulb). Expression of HB-GAM is regulated in an activity-dependent manner and is also induced in response to neuronal injury. In this work mutant mice were used to study the in vivo function of HB-GAM and its receptor syndecan-3 in hippocampal synaptic plasticity and in hippocampus-dependent behavioral tasks. Phenotypic analysis of HBGAM null mutants and mice overexpressing HB-GAM revealed that opposite genetic manipulations result in reverse changes in synaptic plasticity as well as behavior in the mutants. Electrophysiological recordings showed that mice lacking HB-GAM have an increased level of long-term potentiation (LTP) in the area CA1 of hippocampus and impaired spatial learning, whereas animals with enhanced level of HB-GAM expression have attenuated LTP, but outperformed their wild-type controls in spatial learning. It was also found that GABA(A) receptor-mediated synaptic transmission is altered in the transgenic mice overexpressing HB-GAM. The results suggest that these animals have accentuated hippocampal GABAergic inhibition, which may contribute to the altered glutamatergic synaptic plasticity. Structural studies of HB-GAM demonstrated that this protein belongs to the thrombospondin type I repeat (TSR) superfamily and contains two β-sheet domains connected by a flexible linker. It was found that didomain structure is necessary for biological activity of HB-GAM and electrophysiological phenotype displayed by the HB-GAM mutants. The individual domains displayed weaker binding to heparan sulfate and failed to promote neurite outgrowth as well as affect hippocampal LTP. Effects of HB-GAM on hippocampal synaptic plasticity are believed to be mediated by one of its (co-)receptor molecules, namely syndecan-3. In support of that, HB-GAM did not attenuate LTP in mice deficient in syndecan-3 as it did in wild-type controls. In addition, syndecan-3 knockout mice displayed electrophysiological and behavioral phenotype similar to that of HB-GAM knockouts (i.e. enhanced LTP and impaired learning in Morris water-maze). Thus HB-GAM and syndecan-3 are important modulators of synaptic plasticity in hippocampus and play a role in regulation of learning-related behavior.

Generation and Characterization of the Cation-Chloride Cotransporter KCC2 Hypomorphic Mouse

The cation-Cl- cotransporter (CCC) family comprises of Na+-Cl- cotransporter (NCC), Na+-K+-2Cl- cotransporters (NKCC1-2), and four K+-Cl- cotransporters (KCC1-4). These proteins are involved in several physiological activities, such as cell volume regulation. In neuronal tissues, NKCC1 and KCC2 are important in determining the intracellular Cl- levels and hence the neuronal responses to inhibitory neurotransmitters GABA and glycine. One aim of the work was to elucidate the roles for CCC isoforms in the control of nervous system development. KCC2 mRNA was shown to be developmentally up-regulated and follow neuronal maturation, whereas NKCC1 and KCC4 transcripts were highly expressed in the proliferative zones of subcortical regions. KCC1 and KCC3 mRNA displayed low expression throughout the embryogenesis. These expression profiles suggest a role for CCC isoforms in maturation of synaptic responses and in the regulation of neuronal proliferation during embryogenesis. The major aim of this work was to study the biological consequences of KCC2-deficiency in the adult CNS, by generating transgenic mice retaining 15-20% of normal KCC2 levels. In addition, by using these mice as a tool for in vivo pharmacological analysis, we investigated the requirements for KCC2 in tonic versus phasic GABAA receptor-mediated inhibition. KCC2-deficient mice displayed normal reproduction and life span, but showed several behavioral abnormalities, including increased anxiety-like behavior, impaired performance in water maze, alterations in nociceptive processing, and increased seizure susceptibility. In contrast, the mice displayed apparently normal spontaneous locomotor activity and motor coordination. Pharmacological analysis of KCC2-deficient mice revealed reduced sensititivity to diazepam, but normal gaboxadol-induced sedation, neurosteroid hypnosis and alcohol-induced motor impairment. Electrophysiological recordings from CA1-CA3 subregions of the hippocampus showed that KCC2 deficiency affected the reversal potentials of both the phasic and tonic GABA currents, and that the tonic conductance was not affected. The results suggest that requirement for KCC2 in GABAergic neurotransmission may differ among several functional systems in the CNS, which is possibly due to the more critical role of KCC2 activity in phasic compared to tonic GABAergic inhibition.

Kirjallisuusosa: Alzheimerin taudin rottamallien vastaavuus tautiin ihmisessä ja mallien käyttökelpoisuus

Kirjallisuusosa: Alzheimerin taudin hoitoon olisi tarvetta uusille taudinkulkuun vaikuttaville lääkeaineille. Niiden kehittämiseksi tarvitaan eläinmalleja, joissa esiintyy taudin patofysiologisia piirteitä. Rottamalleista vanhemmat skopolamiini- tai MK-801-häirintä sekä ikääntyneiden rottien käyttö eivät kovin hyvin vastaa taudin patofysiologiaa, vaikka niissä eläimen muisti käyttäytymiskokeissa onkin heikentynyt. Uudemmat transgeeniset rottamallit ja mallit, joissa annetaan Aβ:a aivoihin, ilmentävät huomattavasti paremmin Alzheimerin taudin kaltaista tilaa aivoissa ainakin Aβ:n osalta. Taupatofysiologiaa ei silti kummassakaan näistä malleista juuri esiinny. Toisaalta Aβ:lla näyttäisi olevan huomattavasti tau:ta suurempi rooli taudissa, joten sen ilmeneminen mallissa onkin keskeisempi tekijä. Nämä mallit ilmentävät melko suurelti osin yhtä hyvin Alzheimerin taudin patofysiologiaa. Aβ:n antaminen on hieman yksinkertaisempi suorittaa käytännössä, sillä siinä ei tarvitse luoda transgeenista kantaa. Toisaalta transgeenisessa mallissa Aβ-patofysiologia syntyy enemmän Alzheimerin taudin kaltaisesti solujen sisällä eikä valmiita aggregoituvia Aβ-peptidejä anneta ulkopuolelta aivoihin. Molemmat mallit ovat kuitenkin käyttökelpoisia, ja soveltuvat erityisesti Aβ:an vaikuttavien lääkeaineiden kehittämiseen. Kokeellinen osa: Kokeen tarkoituksena oli validoida kohotettu ristikko-sokkelo (elevated plus-maze, EPM) hiirillä kognitiomallina. Kokeessa käytettiin kahden koekerran (trial, T) menetelmää, jossa koekertojen pituus oli viisi minuuttia. Näin saatiin useita oppimista kuvaavia parametreja. Hiirille yritettiin saada muistihäiriö aikaviiveen avulla (koekertojen väli 1-18 vrk) tai antamalla muskariinireseptoriantagonistia skopolamiinia (0,1-0,8 mg/kg i.p.) 30 minuuttia ennen T1:tä. Nämä kokeet suoritettiin sekä C57BL/6J- että ICR:(CD-1)-hiirillä. Aikaviivekokeissa ainut ryhmä, jolla oli viitettä unohtamisesta, oli ICR:(CD-1)-hiirien 18 vrk:n ryhmä. Tämän perusteella tutkittiin vielä 21 vuorokauden aikaväli, mutta selvää muistihäiriötä ei esiintynyt. Skopolamiini ei häirinnyt muistia ICR:(CD-1)-hiirillä, mutta C57BL/6J-hiirillä 0,2 mg/kg:n annoksesta ylöspäin merkitsevä muistihäiriö esiintyi. Näin ollen jatkokokeissa käytettäväksi valittiin skopolamiinin annos 0,2 mg/kg C57BL/6J-hiirillä, ja siinä tutkittiin donepetsiilin (0,3, 0,8 ja 1,5 mg/kg s.c), memantiinin (5,0 ja 10,0 mg/kg s.c) ja kokeellisen 5-HT6-antagonistin SB742457:n (1,5 ja 6,0 mg/kg s.c) muistia parantavia vaikutuksia. Tutkittavat lääkeaineet annettiin 40 minuuttia ennen T1:tä ja skopolamiini 30 minuuttia ennen. Memantiinilla (5,0 mg/kg) oli selkeä skopolamiinin heikentämää kognitiota parantava vaikutus ja donepetsiilillakin (1,5 mg/kg) suuntaus tähän. Tulosten perusteella malli näyttäisi soveltuvan muisti- ja oppimisvaikutusten tutkimiseen käytettäväksi malliksi.