Das postsynaptische Strukturprotein ProSAP1/Shank2 und seine Rolle für die synaptische Maturierung

Shanks (also known as ProSAPs/Shanks) are large multidomain proteins that localize to excitatory synapses in the mammalian brain, where they are believed to organize the protein scaffold of the postsynaptic density (PSD). Structurally, Shanks are coupling glutamate receptor scaffolds to the actin cytoskeleton and intracellular signalling pathways by means of their protein- protein interaction domains. Functional studies suggest that Shanks may be important scaffold molecules with a crucial role in the assembly of the PSD during synaptogenesis, in the structural instruction of synaptic plasticity, and in the regulation of dendritic spine morphology. Mutations in all three human SHANK genes have been directly linked to patients diagnosed with autism and/or cognitive disability. Shank2 deficient mice have recently been generated by the laboratory of Prof. Dr. Tobias Böckers (Ulm University, Germany) and we electrophysiologically characterized neuronal transmission of these mice in the CA1 region of the hippocampus. Performing extracellular recordings of evoked field potentials and intracellular whole-cell patchclamp recordings of spontaneous synaptic transmission, we found that Shank2-/- mice suffer from a selective decrease of excitatory synaptic transmission in hippocampal CA1. Recordings of AMPA/NMDA receptor ratios and minimal stimulation experiments revealed that Shank2‑/- mice suffer from attenuated synaptic maturation, a phenotype that becomes manifest over the course of the fourth postnatal week. Specifically, we found that CA1 pyramidal cells in adolescent (P21-P28), but not juvenile (P13-P14) Shank2‑/- mice harbour an unusually high fraction of silent synapses. Those synapses that contain AMPA receptors, have a reduced potency. Knockout mice are, however, capable of long-term plasticity as they showed normal long-term depression and increased long-term potentiation. These results confirm a role for Shank2 in the development of excitatory synapses. The late onset of the phenotype in Shank2‑/- mice, however, questions the hypothesis that Shank2 and Shank3, in contrast to Shank1, are predominantly acting in early synaptogenesis.Shank Proteine (auch bekannt als ProSAP/Shank Proteine) sind Bestandteile von exzitatorischen Synapsen im Gehirn von Säugetieren und dort vor allem in den postsynaptischen Spezialisierungen (den Dornfortsätzen, englisch: spines) zu finden. Shanks sind große Proteine, die mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Protein-Interaktions-Domänen am strukturellen Aufbau der Postsynapse mitwirken. Als Bestandteil der PSD (postsynaptischen Verdichtung) verschränken sie die Ankerproteine der Glutamatrezeptoren mit dem Aktinzytoskelett und intrazellulären Signalkaskaden. Funktionelle Untersuchungen legen nahe, dass Shank Proteine für den Aufbau der PSD während der Synapsenentstehung wichtig sind, aber auch für strukturelle Veränderungen der Postsynapse im Zuge synaptischer Plastizität. Zudem sind für jedes der drei humanen SHANK Gene Mutationen beschrieben, die selektiv in Patienten mit Autismus und/oder kognitiven Funktionsstörungen zu finden sind. Um mehr über die Funktion von Shank2 (einem von drei Shank Proteinen in Säugetieren) zu erfahren, wurden von der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Tobias Böckers (Universität Ulm, Deutschland) Shank2 Nullmutanten generiert. Wir haben diese transgenen Mäuse funktionell untersucht, indem wir elektrophysiologische Messungen in der CA1 Region des Hippokampus durchführten. Evozierte, extrazellulär abgeleitete Feldpotentiale sowie intrazellulär gemessene synaptische Spontanaktivität zeigten, dass Shank2 Nullmutanten Störungen speziell der exzitatorischen synaptischen Transmission aufweisen. Messungen der Ratio von synaptischen AMPA- zu NMDA- Rezeptorströmen und Experimente mit Minimalstimulation ergaben darüber hinaus, dass die Synapsen von Shank2 Nullmutanten weniger stark maturiert sind, als dies im Wildtyp der Fall ist. Dieser Phänotyp der Nullmutanten entwickelt sich im Laufe der vierten postnatalen Woche, sodass CA1 Prinzipalzellen von adoleszenten (P21-P28), jedoch nicht von juvenilen (P13-P14) Shank2 Nullmutanten einen höheren Anteil von Synapsen aufweisen, die keine AMPA- Rezeptoren besitzen. Zudem sind die AMPA-Rezeptor vermittelten Ströme in den Shank2 Nullmutanten reduziert. Die Synapsen der Nullmutanten sind jedoch plastisch; so zeigen die Tiere normale synaptische Langzeit-Depression sowie erhöhte synaptische Langzeit-Potenzierung. Der hier beschriebene Entwicklungsphänotyp der Shank2 Nullmutanten belegt die funktionelle Bedeutung von Shank2 für die Entwicklung exzitatorischer Synapsen. Zugleich stellen unsere Ergebnisse die Hypothese in Frage, Shank2 und Shank3 seien - im Gegensatz zu Shank1 - vor allem in frühen Phasen der Synaptogenese wichtig