Glikojen sentaz kinaz-3 (GSK-3) aktivasyon ya da inhibisyonunun sinaptik plastisite ile indüklenen tau fosforilasyonuna etkisi
Effect of glycogen synthase kinase-3 (GSK-3) activation or inhibition on tau phosphorilation induced by synaptic plasticity
Yazar: BİLAL KOŞAR
Danışman: PROF. DR. CEM SÜER
Erciyes Üniversitesi / Tıp Fakültesi / Fizyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2021
Konu: Fizyoloji = Physiology
Dizin: Dentat girus = Dentat gyrus ; Fosforilasyon = Phosphorylation ; Glikojen sentaz = Glycogen synthases ; Glikojen sentaz kinazlar = Glycogen synthase kinases ; Hipokampus = Hippocampus ; Nöronal plastisite = Neuronal plasticity ; Sinapslar = Synapses ; Sinaptik iletişim = Synaptic transmission ; Tau proteinleri = Tau proteins

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, GSK-3β ve onun yukarı akış yönlü regülatörü olan fosfoinositid 3-kinaz (PI3K) aktivitesindeki değişmenin dentat girus (DG) granül hücrelerinin sinaptik ve somatik çıktıları bağlamında plastisite yeteneklerini ve plastisiteye eşlik eden tau fosforilasyon kalıbını değiştirip değiştirmeyeceği araştırıldı.  
Yöntem ve Gereçler: Çalışmada 90 adet Wistar albino erkek sıçan kullanıldı. Anestezi altında stereotaksik çatıya yerleştirilen sıçanların DG'sinden hücre dışı alan potansiyelleri, eksitatör postsinaptik potansiyel (EPSP) eğim ve populasyon spike (PS) olarak kaydedildi. Uygun protokoller (yüksek frekanslı uyarım-YFU, düşük frekanslı uyarım-DFU, tek başına veya birlikte) kullanılarak, 3 farklı plastisite formu (uzun dönemli güçlenme-UDG, uzun dönemli baskılanma-UDB ve metaplastisite-MP) indüklendi ve 1 saat süreyle dentat girusa serum fizyoloijk (SF), lityum (LiCO3; 10 mmol) veya wortmannin (Wrt; 25 µmol) infüzyonu yapıldı. Daha sonra çıkartılan hipokampus dokusunda tau ve GSK-3β proteinlerinin toplam ve fosforillenmiş formları (pser9GSK-3β, ptyr216GSK-3β, pthr231tau, pthr181tau, pser396tau, pser416tau, pser202-thr205tau) Western-blot yöntemi ile ölçüldü. 
Bulgular: Wrt infüzyonu ile zayıflayan sinaptik (EPSP) UDG, LiCO3 infüzyonu ile güçlendi; ancak iki maddenin nöronal plastisite (PS) üzerine bir etkisi gözlenmedi. DFU ile uyarım SF ve LiCO3 infüzyonu yapılan gruplarda sinaptik UDB oluşturmadı ama Wrt infüzyonu sinaptik plastisitenin güçlenmesine neden oldu. DFU, SF ve LiCO3 infüzyonu altında YFU ile UDG indüksiyonunu inhibe etti; Wrt infüzyonundan sonra ise aynı koşul altında kalıcı bir UDG oluşumu gözlendi. LiCO3 infüzyonuna rağmen, DFU'dan sonraki toplam ve fosforillenmiş GSK-3β düzeylerinde anlamlı bir değişme bulunmadı fakat tyr216/ser9 oranı kontrol grubuna göre azaldı. YFU'dan sonra ise, Li toplam ve fosforillenmiş GSK-3β seviyelerini artırdı. Wrt ise YFU ve DFU'dan sonra tyr216/ser9 oranını kontrol grubuna göre azalttı. LiCO3 infüzyon grubunda, YFU'dan sonra tau proteininin ser416 kalıtından ve DFU'dan sonra ser396, ser416 ve thr202/ser205 kalıtların fosforilasyonu kontrol grubuna göre arttı; ancak DFU'dan sonra YFU'nun uygulandığı deneylerde aynı kalıtların fosforilasyonu azaldı. Wrt infüzyon grubunda, YFU'dan sonra tau proteininin ser416 kalıtından fosforilasyonu kontrol grubuna göre arttı; ancak DFU'dan sonra YFU'nun uygulandığı deneylerde ser396, ser416 ve thr202/ser205 kalıtların fosforilasyonu azaldı.
Sonuç: PI3K ve GSK-3β, hem sinaptik plastitenin çeşitli formlarının oluşmasında rol oynar hem de artmış fosforilasyonları nörodejeneratif hastalıkların patolojisinden sorumlu çok sayıda tau proteinlerini kalıtarak fosforilleyebilirler. Bu çalışmanın bulguları PI3K ve GSK-3β aktivitesindeki disregülasyonun bazı plastisite formlarına eşlik eden ve Alzheimer hastalığı gibi hastalıklarda aşırı fosforilasyona uğradığı tespit edilmiş olan kalıtlarda tau fosforilasyonunun artmasına neden olabileceğini göstermektedir. 
Anahtar kelimeler: Dentat Girus, Glikojen Sentaz Kinaz 3, Hipokampus, Sinaptik Plastisite, Nöronal plastisite, Tau Protein

Abstract:
Objective: In this study, it was investigated whether the change in the activity of GSK-3β and its upstream regulator fosfoinositid 3-kinaz (PI3K) would alter the plasticity abilities in the context of synaptic and somatic output of dentate gyrus (DG) granule cells, and the tau phosphorylation pattern accompanying plasticity.
Materials and Methods: A total of 90 male Wistar albino rats were enrolled in the study. Extracellular field potentials from the DG were recorded as excitatory postsynaptic potential (EPSP) slope and population spike (PS) in anesthetized rats placed stereotaxic roof. Using appropriate protocols (high-frequency stimulation-HFS, low-frequency stimulation-LFS), 3 forms of plasticity (long-term potentiation-LTP; long-term depression-LDP and metaplasticity-MP) were induced. Total-phosphorylated forms of tau and GSK-3β protein were measured by Western-blot method in the hippocampus tissue. During the recording of the field potentials, infusion of saline, lithium (LiCO3; 10 mmol) or wortmannin (Wrt; 25 µmol) was applied to the DG for 1 hour. The EPSP slope and PS amplitude were calculated and total gsk-3β, pser9-gsk-3β, ptyr216-gsk-3β, toplam tau, pthr231-tau, pthr181-tau, pser396-tau, pser416-tau, pser202-thr205-tau levels were measured.
Results: Synaptic LTP which was attenuated by Wrt infusion was strengthened by LiCO3 infusion; however, no effect of the two substances on neuronal plasticity was observed. LFS was not able to induce synaptic LTD in saline and LiCO3 infusion groups, but wrt infusion resulted in LFS-induced synaptic LTP. Giving LFS prior to HFS inhibited to induce an LTP under infusion of SF and LiCO3; but after Wrt infusion, a permanent LTP was observed under the same condition. Despite LiCO3 infusion, there was no significant change in the total and phosphorylated GSK-3β levels after LFS, but the tyr216 / ser9 ratio decreased when compared to the saline infusion group. After HFS, LiCO3 increased total and phosphorylated GSK-3β levels. Wrt decreased the tyr216 / ser9 ratio after LFS and HFS when compared to the saline infusion group. In the LiCO3 infusion group, the phosphorylation of the tau protein at ser396, ser416 and thr202 / ser205 epitopes after YFU was higher than the saline infusion group. However, in the experiments where HFS was applied after LFS, the phosphorylation of the same residues was decreased. In the Wrt infusion group, the phosphorylation of the tau protein at the ser416 epitope was increased more than the saline group by HFS. However, in experiments where HFS was applied after LFS, the phosphorylation at ser396, ser416 and thr202 / ser205 residues was decreased.
Conclusion: PI3K and GSK-3β are both involved in the formation of various forms of synaptic plasticity and can phosphorylate the tau protein, whose increased phosphorylation is responsible for the pathology of neurodegenerative diseases. The findings of this study strongly suggest that the formation of some forms of plasticity may accompany with increased phosphorylation of tau that have been found to undergo excessive phosphorylation in diseases such as Alzheimer's disease, when PI3K and GSK-3β are hyper-activated.
Key Words: dentate gyrus, glycogen synthase kinase, hippocampus, synaptic plasticity, neuronal plasticity, tau protein