RSK2 alters ERK activity, axonal transport and synaptic function in motoneurons of \(Drosophila\) \(melanogaster\)

In dieser Arbeit sollte die Funktion von RSK in Motoneuronen von Drosophila untersucht werden. Mutationen im RSK2-Gen verursachen das Coffin-Lowry-Syndrom (CLS), das durch mentale Retardierung charakterisiert ist. RSK2 ist hauptsächlich in Regionen des Gehirns exprimiert, in denen Lernen und Gedächtnisbildung stattfinden. In Mäusen und Drosophila, die als Modellorganismen für CLS dienen, konnten auf makroskopischer Ebene keine Veränderungen in den Hirnstrukturen gefunden werden, dennoch wurden in verschiedenen Verhaltensstudien Defekte im Lernen und der Gedächtnisbildung beobachtet. Die synaptische Plastizität und die einhergehenden Veränderungen in den Eigenschaften der Synapse sind fundamental für adaptives Verhalten. Zur Analyse der synaptischen Plastizität eignet sich das neuromuskuläre System von Drosophila als Modell wegen des stereotypen Innervierungsmusters und der Verwendung ionotroper Glutamatrezeptoren, deren Untereinheiten homolog sind zu den Untereinheiten der Glutamatrezeptoren des AMPA-Typs aus Säugern, die wesentlich für die Bildung von LTP im Hippocampus sind. Zunächst konnte gezeigt werden, dass RSK in den Motoneuronen von Drosophila an der präsynaptischen Seite lokalisiert ist, wodurch RSK eine Synapsen-spezifische Funktion ausüben könnte. Morphologische Untersuchungen der Struktur der neuromuskulären Synapsen konnten aufzeigen, dass durch den Verlust von RSK die Größe der neuromuskulären Synapse, der Boutons sowie der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder reduziert ist. Obwohl mehr Boutons gebildet werden, sind weniger Aktive Zonen und Glutamatrezeptorfelder in der neuromuskulären Synapse enthalten. RSK reguliert die synaptische Transmission, indem es die postsynaptische Sensitivität, nicht aber die Freisetzung der Neurotransmitter an der präsynaptischen Seite beeinflusst, obwohl in immunhistochemischen Analysen eine postsynaptische Lokalisierung von RSK nicht nachgewiesen werden konnte. RSK ist demnach an der Regulation der synaptischen Plastizität glutamaterger Synapsen beteiligt. Durch immunhistochemische Untersuchungen konnte erstmals gezeigt werden, dass aktiviertes ERK an der präsynaptischen Seite lokalisiert ist und diese synaptische Lokalisierung von RSK reguliert wird. Darüber hinaus konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass durch den Verlust von RSK hyperaktiviertes ERK in den Zellkörpern der Motoneurone vorliegt. RSK wird durch den ERK/MAPK-Signalweg aktiviert und übernimmt eine Funktion sowohl als Effektorkinase als auch in der Negativregulation des Signalwegs. Demnach dient RSK in den Zellkörpern der Motoneurone als Negativregulator des ERK/MAPK-Signalwegs. Darüber hinaus könnte RSK die Verteilung von aktivem ERK in den Subkompartimenten der Motoneurone regulieren. Da in vorangegangenen Studien gezeigt werden konnte, dass ERK an der Regulation der synaptischen Plastizität beteiligt ist, indem es die Insertion der AMPA-Rezeptoren zur Bildung der LTP reguliert, sollte in dieser Arbeit aufgeklärt werden, ob der Einfluss von RSK auf die synaptische Plastizität durch seine Funktion als Negativregulator von ERK zustande kommt. Untersuchungen der genetischen Interaktion von rsk und rolled, dem Homolog von ERK in Drosophila, zeigten, dass die durch den Verlust von RSK beobachtete reduzierte Gesamtzahl der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder der neuromuskulären Synapse auf die Funktion von RSK als Negativregulator von ERK zurückzuführen ist. Die Größe der neuromuskulären Synapse sowie die Größe der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder beeinflusst RSK allerdings durch seine Funktion als Effektorkinase des ERK/MAPK-Signalwegs. Studien des axonalen Transports von Mitochondrien zeigten, dass dieser in vielen neuropathologischen Erkrankungen beeinträchtigt ist. Die durchgeführten Untersuchungen des axonalen Transports in Motoneuronen konnten eine neue Funktion von RSK in der Regulation des axonalen Transports aufdecken. In den Axonen der Motoneurone von RSK-Nullmutanten wurden BRP- und CSP-Agglomerate nachgewiesen. RSK könnte an der Regulation des axonalen Transports von präsynaptischem Material beteiligt sein. Durch den Verlust von RSK wurden weniger Mitochondrien in anterograder Richtung entlang dem Axon transportiert, dafür verweilten mehr Mitochondrien in stationären Phasen. Diese Ergebnisse zeigen, dass auch der anterograde Transport von Mitochondrien durch den Verlust von RSK beeinträchtigt ist.In this thesis the function RSK in motoneurons of Drosophila has been analyzed. Mutations in the RSK2-gene cause the Coffin-Lowry-Syndrome (CLS) which is characterized by mental retardation. RSK2 is predominantly expressed in regions of the brain where learning and formation of the memory take place. Even no obvious changes in brain structures could be observed at macroscopic level in mouse and Drosophila which serve as an animal model for CLS. However deficits in various learning tasks could be observed due to the loss of the RSK function. Synaptic plasticity and the following changes in synaptic properties are fundamental for adaptive behaviors. The neuromuscular system of Drosophila suits as a model for studies of the synaptic plasticity because of the stereotypic innervation pattern and the use of ionotropic glutamate receptors which subunits are homologous to the subunits of the mammalian AMPA-type of glutamate receptors which are essential for the formation of LTP in the hippocampus. This study shows that RSK is located at the presynaptic site of the motoneurons of Drosophila which indicates a synapse-specific function of RSK. The structural analysis of the neuromuscular junction (NMJ) show that the loss of RSK causes a reduction in size of the NMJ, boutons, active zones and glutamate receptor fields. More boutons were found at the NMJ, but less active zones and glutamate receptor fields were established. The localization of RSK at the postsynaptic side could not be detected in this study although RSK regulates the synaptic transmission by affecting the postsynaptic sensitivity but not the presynaptic neurotransmitter release. Hence RSK could take part in the regulation of synaptic plasticity. Immunohistochemical analysis could depict a novel function of RSK in the synapse-specific localization of ERK. Further this study show that due to the loss of RSK more activated ERK is located in den cell bodies of the motoneurons. RSK functions as a negative regulator of the ERK/MAPK signaling in the somata of motoneurons. Additionally, RSK could regulate the distribution of ERK in the different subcompartments of the motoneurons. Previous studies show ERK as a regulator of synaptic plasticity by influencing the insertion of AMPA receptors into the postsynaptic membrane during LTP. RSK is activated by the ERK/MAPK signaling and functions not only as an effector kinase but also as a negative regulator of this pathway. If the effect of RSK on synaptic plasticity is due to its function as a negative regulator of ERK should be clarified in this work. Analysis of the genetic interactions of rsk and rolled, the Drosophila homologue of mammalian ERK, show that the reduced number of active zones and glutamate receptor fields found at the NMJ of RSK null mutants is caused by the function of RSK as a negative regulator of ERK. In turn RSK affects the size of the NMJ, also the size of the active zones and glutamate receptor fields by its function as an effector kinase of the ERK/MAPK signaling. Several studies have shown that the axonal transport of mitochondria is affected in many neuropathological diseases. This work could uncover a novel function of RSK in the regulation of the axonal transport in motoneurons. The loss of RSK causes the formation of agglomerates of the presynaptic proteins BRP and CSP. Therefore RSK takes part in the regulation of the transport of presynaptic material. In absence of RSK less mitochondria are transported in anterograde direction and more mitochondria are pausing. This results implicate a function of RSK in regulating the anterograde transport of mitochondria