Das Aktin-assoziierte Protein Synaptopodin - Verteilung in Neuronen des Hippokampus und Rolle bei Plastizität dendritischer Dornen

Synaptopodin is the founding member of a family of actin-associated proline-rich proteins. It is present in a subset of telencephalic dendritic spines, where it is tightly associated with the dendritic spine apparatus, a putative calcium store. Synaptopodin-deficient mice lack the spine apparatus and show deficits in long-term potentiation and spatial memory. Thus, synaptopodin appears to play a role in synaptic plasticity. In the present thesis, three major questions were addressed: (1) What is the distribution of synaptopodin and the spine apparatus in identified hippocampal neurons? (2) Is the distribution of synaptopodin affected by denervation? (3) Is synaptopodin involved in the regulation of denervation-induced spine loss? The major findings of this thesis are: (1) Immunohistochemistry in the hippocampus of wildtype and EGFP-transgenic mice revealed significant layer-specific differences in the prevalence of synaptopodin at the level of individual neurons. (2) Light and electron microscopic analysis also revealed the presence of synaptopodin in axon initial segments of cortical and hippocampal principal neurons. There, it was found to be an essential component of the cisternal organelle, a putative axonal homologue of the dendritic spine apparatus. (3) Immunohistochemistry in the rat fascia dentata before and following entorhinal deafferentation revealed changes in synaptopodin expression in denervated and non-denervated layers of the hippocampus, suggesting that the distribution of synaptopodin in hippocampal neurons is regulated by presynaptic signals. (4) The dynamics of denervation-induced spine plasticity were studied in vitro using confocal live imaging of organotypic entorhino-hippocampal slice cultures. Whereas spines were remarkably stable under control conditions, spine loss and spine formation were seen following denervation. No significant differences were observed between cultures from wildtype and synaptopodin-deficient mice, suggesting that synaptopodin is not involved in lesion-induced spine plasticity. (5) Finally, a set of transgenic mice expressing fluorescently tagged synaptopodin were generated to facilitate future experiments on the dynamics and function of synaptopodin. In summary, this thesis presents novel findings on (1) the subcellular distribution of synaptopodin in spines and the axon initial segment, (2) the molecular composition of the cisternal organelle, and (3) the dynamics of spines and the spine apparatus organelle following deafferentation in vivo and in vitro.Das Aktin-assoziierte Protein Synaptopodin kommt in einer Subpopulation von dendritischen Dornen telenzephaler Prinzipalneurone vor. Dort ist es eng mit dem Dornapparat, einem putativen Kalziumspeicher, assoziiert. Synaptopodin-defiziente Mäuse bilden keine Dornapparate aus und weisen Defizite in Langzeitpotenzierung und räumlichem Lernen auf. Diese Befunde deuten darauf hin, dass Synaptopodin eine Rolle bei synaptischer Plastizität spielt. In dieser Arbeit wurden drei Fragestellungen bearbeitet: (1) Wie sind Synaptopodin und der Dornapparat in einzelnen Neuronen des Hippokampus verteilt? (2) Wird die Verteilung von Synaptopodin durch eine partielle Deafferenzierung beeinflusst? (3) Ist Synaptopodin an der Regulation des läsionsinduzierten Verlusts von dendritischen Dornen beteiligt? Die Ergebnisse dieser Arbeit sind: (1) Immunhistochemische Untersuchungen im Hippokampus der Maus zeigten schichtenspezifische Unterschiede in der Häufigkeit Synpaptopodin-positiver Dornen in identifizierten Neuronen. (2) Licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben, dass Synaptopodin auch im Axoninitialsegment von Prinzipalneuronen vorkommt; dort ist es essentieller Bestandteil der zisternalen Organelle. (3) Immunhistochemische Färbungen der Fascia dentata zu verschiedenen Zeitpunkten nach entorhinaler Läsion wiesen signifikante Änderungen in der Dichte von Synaptopodin-Punkten nach. Diese Veränderungen lassen darauf schließen, dass Synaptopodin durch präsynaptische Signale reguliert wird. (4) Mittels konfokaler Langzeitbeobachtung von Neuronen in organotypischen Hippokampuskulturen wurde die Dynamik von Dornen nach Deafferenzierung untersucht. Während Dornen unter Kontrollbedingungen eine bemerkenswerte Stabilität aufwiesen, führte die Deafferenzierung zunächst zum Verlust und schließlich zur Neubildung dendritischer Dornen. Die Untersuchung von Kulturen aus Synaptopodin-defizienten Mäusen zeigte keine signifikanten Unterschiede im Vergleich zu Kulturen aus Kontrollmäusen. (5) Um zukünftige Experimente zur Dynamik und Funktion von Synaptopodin zu ermöglichen, wurden transgene Mäuse erzeugt, die neuronal fluoreszenzmarkiertes Synaptopodin exprimieren. Zusammengefasst liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse zu (1) der subzellulären Verteilung von Synaptopodin in dendritischen Dornen und im Axoninitialsegment, (2) zur molekularen Zusammensetzung der zisternalen Organelle und (3) zur Dynamik dendritischer Dornen und des Dornapparates nach Deafferenzierung in vivo und in vitro