title: Receptor induced PI(4,5)P2 dynamics in hippocampal CA1 pyramidal neurons
title: Rezeptorinduzierte PI(4,5)P2-Dynamik in hippocampalen CA1-Pyramidenneuronen
Creators: name: Hackelberg, Sandra
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Neurophysiologie
Biowissenschaften, Biologie
signal transduction
Signaltransduktion
Hippocampus
G-Protein gekoppelte Rezeptoren
g-protein coupled receptor
hippocampus
Phospholipid

description: The membrane lipid
      phosphatidylinositol(4,5)bisphosphate (PIP2) regulates many
      cellular processes. Yet the dynamics of PIP2 concentration
      changes in living cells in their native environment are
      virtually unknown. However, knowledge of these dynamics is
      prerequisite to understanding the physiological functions of
      PIP2. Recent development of PIP2-probes made of PIP2-binding
      domains and fluorescent proteins has enabled optical
      measurements of PIP2 dynamics in living cells. Previous
      studies in heterologous expression systems and isolated
      neurons showed that activation of Gáq coupled receptors can
      deplete the PIP2 content in the plasma membrane. This PIP2
      reduction results in a decrease of lipid-protein interactions
      and consequently to a modulation of the activity and
      localization of PIP2-sensitive proteins (effectors). In
      neurons, PIP2 depletion is thought to modulate various ion
      channels and thus electric excitability. In this study, I
      have characterized the Gq-induced PIP2 depletion in CA1
      hippocampal neurons in situ in acute brain slices.
      Measurement of PIP2 dynamics was achieved by means of
      confocal microscopy of PIP2 dependent membrane association of
      the tubby domain. Comparative measurements of PIP2- and
      potentially IP3-sensitive PLCd1-PH domain translocation
      largely resembled the tubby data but showed a slower recovery
      especially upon strong translocation. Pharmacological
      activation of both muscarinic acetylcholine (mAch) and
      metabotropic glutamate (mGlu) receptors (R) induced a robust
      depletion of PIP2. The amplitude of mAchR induced PIP2
      depletion was significantly larger compared to mGluR (type
      I). This difference in amplitudes was more pronounced in the
      main apical dendrite compared to the soma. The average time
      course of PIP2 dynamics was similar for both receptors and
      showed an initial peak and a lower plateau phase, revealing
      desensitization. The phasic-tonic time course according to
      desensitization was more pronounced for mAchR activation.
      Furthermore, the data obtained here show for the first time
      that in some neurons Gáq coupled receptor activation induces
      oscillations of membrane PIP2 concentrations. Moreover,
      oscillations demonstrate that neurons can rapidly recover
      PIP2 during prolonged presence of agonists. Application of
      other Gq coupled receptor agonists did not induce a
      measureable PIP2 depletion in soma and main apical dendrite.
      Taken together the results support a physiological function
      of PIP2 dynamics and correlate well with the general time
      course of electrophysiological responses to the agonists. A
      physiological role of PIP2-dynamics is further supported by
      results of electric stimulation in the area of afferent
      fibers in the stratum oriens. The data implicate that PIP2
      depletion can be induced by synaptic receptor activation, but
      the pharmacology needs further verification. Data from
      dentate gyrus granule cells show that PIP2 depletion is not
      only a receptor but also neurontype specific process, as
      application of mAchR and mGluR agonists did not induce a
      measureable PIP2-depletion here.
description: Das Plasmamembranlipid
      Phosphatidylinositol(4,5)biphosphat (PIP2) ist an der
      Regulation einer Vielzahl zellularer Prozesse beteiligt. Die
      Dynamik der PIP2-Konzentration in lebenden Zellen in ihrer
      nativen Umgebung ist bislang allerdings weitgehend
      unerforscht. Die Kenntnis der PIP2-Dynamik in nativen Zellen
      ist jedoch eine wesentliche Voraussetzung, um die
      physiologische Funktion von PIP2 verstehen zu konnen. Seit
      wenigen Jahren ermoglicht die Entwicklung von PIP2-Sensoren
      aus PIP2-bindenden Domanen und fluoreszierenden Proteinen die
      optische Messung der PIP2-Dynamik in lebenden Zellen. In
      heterologen Expressionssystemen und isolierten Neuronen ist
      bereits gezeigt worden, dass die Aktivierung von
      Gq-gekoppelten Rezeptoren die Konzentration von PIP2 in der
      Plasmamembran reduzieren kann. Diese Reduktion fuhrt zu einer
      Verminderung von Lipid-Proteininteraktionen und als
      Konsequenz zu einer Modulation der Aktivitat oder
      Lokalisation PIP2-abhangiger Proteine (Effektoren). In
      Neuronen fuhrt diese Depletion von PIP2 nach derzeitigen
      Modellvorstellungen u.a. zur Regulation verschiedener
      Ionenkanale und damit zu einer Modulation der elektrischen
      Erregbarkeit der Zellen. In dieser Arbeit habe ich mit Hilfe
      konfokaler Mikroskopie der PIP2-abhangigen
      Membranlokalisation der Tubby-Domane die Gq-induzierte
      PIP2-Dynamik in situ in hippocampalen CA1-Pyramidenneuronen
      in akuten Hirnschnitten charakterisiert. Vergleichende
      Messungen der Translokation der PIP2- und potentiell
      IP3-sensitiven PLCƒÂ1-PH-Domane zeigten einen ahnlichen
      Verlauf im Vergleich zu Tubby, wiesen aber insbesondere bei
      starken Translokationen eine langsamere Regeneration auf.
      Pharmakologische Aktivierung Gq-gekoppelter muskarinischer
      Acetylcholinrezeptoren (mAchR) und metabotroper
      Glutamatrezeptoren (mGluR) fuhrten zur robusten
      PIP2-Depletion. Die Amplitude der mAchR-induzierten
      PIP2-Depletion war signifikant groser als die der Typ-I
      mGluR-induzierten Depletion. Der Unterschied zwischen den
      Amplituden war in dem apikalen Hauptdendriten starker
      ausgepragt als im Soma. Bei beiden Rezeptoren zeigte die
      PIP2-Dynamik im Mittel einen phasisch-tonischen Verlauf. Die
      Desensitisierung der PIP2-Depletion war bei Aktivierung von
      mAchR starker ausgepragt. Daruber hinaus zeigen die Daten
      erstmals, dass die Aktivierung Gq-gekoppelter Rezeptoren auch
      eine Oszillation der PIP2-Konzentration in der Plasmamembran
      bewirken kann. Die mAchR- und mGluRI-induzierten
      Oszillationen zeigen auserdem, das Neurone zu einer rapiden
      PIP2-Regeneration wahrend andauernder Anwesenheit der
      Agonisten fahig sind. Die Applikation von Agonisten weiterer
      Gƒ¿q-gekoppelter Rezeptoren induzierte im Soma und apikalen
      Hauptdendriten keine PIP2-Dynamik. Insgesamt unterstutzen die
      Daten eine physiologische Funktion der PIP2-Dynamik in
      Neuronen und korrelieren gut mit dem allgemeinen Verlauf von
      elektrophysiologischen Antworten der Zellen auf die
      Agonisten. Eine physiologische Funktion der PIP2-Dynamik wird
      weiter von Ergebnissen aus elektrischen Stimulationen im
      Bereich afferenter Fasern im Str. oriens unterstutzt. Die
      Daten deuten auf eine synaptisch induzierbare PIP2-Depletion
      hin, die Pharmakologie der Effekte muss aber noch naher
      untersucht werden. Wie Daten aus Gyrus dentatus Kornerzellen
      zeigen, ist die Gq-induzierte PIP2-Dynamik nicht nur
      rezeptor-, sondern auch neuronentypspezifisch, denn hier
      induzierten mAchR- und mGluR-Agonisten keine messbare
      PIP2-Depletion.