Neuronale Profiline – von zellulären Funktionen bis zum Lernverhalten

Profilins are actin-binding proteins and influence actin dynamics via their binding. In the central nervous system, neuronal transmission depends on cell morphology. Therefore, profilins are of high importance in neurons. The two isoforms of profilin are relevant for cellular functions and are therefore closely related to synaptic plasticity and processes such as learning and memory formatiozn. However, the exact influence of the two isoforms of profilin on various cellular functions has not yet been conclusively investigated. It is known that profilins can have isoform-specific and also overlapping functions. In the mouse hippocampus, profilins modulate the actin network, resulting in changes in the morphology of dendrite and spine processes. Although the function and regulation of profilins is critical for neuronal morphology, the resulting physiological consequences have not been studied in detail. To be able to study the role of both isoforms in neuronal systems, the CRISPR Cas9 genome editing system was used. Thus, cell type- and isoform specific knockout of profilins can be achieved. In this context, simultaneous knockout of both profilin isoforms precluded mutual compensation. Analyses of neuronal morphology in primary hippocampal cultures indicate an essential role for profilin2a in dendritic complexity, confirming previous studies from this laboratory. Combining the Cas9 genome editing system with the adeno-associated viruses allowed the study of mouse behavior in learning and memory. This work shows for the first time cognitive impairments related to memory retrieval. Moreover, this study reports physiological deficits in amplitude and frequency of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) as a consequence of the loss of the profilin. Intriguingly, this phenomenon did not occur in the case of a double knockout. In summary, this work demonstrated the relevance of profilins for cellular morphology in hippocampal neurons, the necessity of both profilins in the hippocampus for learning and memory behavior, and finally an essential role of profilins in neuronal transmission.Profiline sind Aktin-bindende Proteine und beeinflussen über ihre Bindung die Aktindynamik. Im zentralen Nervensystem hängt die neuronale Transmission von der Morphologie der Zellen ab. Daher sind Profilin in Nervenzellen von einer hohen Bedeutung. Die beiden Isoformen des Profilins sind für zellulären Funktionen relevant und hängen daher eng mit der synaptischen Plastizität und Prozessen wie Lernen und Gedächtnisbildung zusammen. Der genaue Einfluss der zwei Isoformen von Profilin auf die verschiedenen zellulären Funktionen ist allerding noch nicht abschließend erforscht. Es ist bekannt, dass Profiline isoformspezifische und auch überlappende Funktionen haben können. Im Hippocampus der Maus modulieren die Profiline das Aktinnetzwerk, was zu einer Veränderung der Morphologie von Dendriten- und Dornenfortsätzen führt. Obwohl die Funktion und Regulation der Profiline für die neuronale Morphologie von entscheidender Bedeutung ist, sind die daraus resultierenden physiologischen Konsequenzen noch nicht genauer untersucht worden. Um die Rolle beider Isoformen in neuronalen Systemen untersuchen zu können, wurde das CRISPR Cas9 Genome Editing System eingesetzt. So kann ein Neuronen- und isoformspezifischer Knockout von Profilinen erzielt werden. Dabei konnte durch den simultanen Knockout beider Profilin-Isoformen eine gegenseitige Kompensation ausgeschlossen werden. Analysen der neuronalen Morphologie in primären hippokampalen Kulturen weisen auf eine essentielle Rolle von Profilin2a für die dendritische Komplexität hin, was frühere Studien aus diesem Labor bestätigen. Durch die Kombination des Cas9-Genome-Editing-Systems zur mit den Adeno-assoziierten Viren war die Untersuchung des Verhaltens von Mäusen in Bezug auf Lernen und Gedächtnis möglich. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal kognitive Beeinträchtigungen in Bezug auf Gedächtnisabrufens. Darüber hinaus berichtet diese Studie über physiologische Defizite in Amplitude und Frequenz exzitatorischer postsynaptischer Ströme (EPSCs) in Folge des Verlusts von Profilin. Erstaunlicherweise ist dieses Phänomen im Falle eines Doppel-Knockout nicht aufgetreten. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit die Relevanz der Profiline- für die zellulären Morphologie in pyramidalen Neuronen des Hippocampus‘, die Notwendigkeit beider Profiline im Hippocampus für das Lern- und Gedächtnisverhalten und schließlich eine essentielle Rolle der Profiline in der neuronalen Transmission gezeigt werden