RESUMO
Activity-dependent synaptic delivery of GluR1-, GluR2L-, and GluR4-containing AMPA receptors (-Rs) and removal of GluR2-containing AMPA-Rs mediate synaptic potentiation and depression, respectively. The obvious puzzle is how synapses maintain the capacity for bidirectional plasticity if different AMPA-Rs are utilized for potentiation and depression. Here, we show that synaptic AMPA-R exchange is essential for maintaining the capacity for bidirectional plasticity. The exchange process consists of activity-independent synaptic removal of GluR1-, GluR2L-, or GluR4-containing AMPA-Rs and refilling with GluR2-containing AMPA-Rs at hippocampal and cortical synapses in vitro and in intact brains. In GluR1 and GluR2 knockout mice, initiation or completion of synaptic AMPA-R exchange is compromised, respectively. The complementary AMPA-R removal and refilling events in the exchange process ultimately maintain synaptic strength unchanged, but their long rate time constants ( approximately 15-18 hr) render transmission temporarily depressed in the middle of the exchange. These results suggest that the previously hypothesized "slot" proteins, rather than AMPA-Rs, code and maintain transmission efficacy at central synapses.
Assuntos
Encéfalo/citologia , Plasticidade Neuronal/fisiologia , Neurônios/fisiologia , Receptores de AMPA/fisiologia , Sinapses/metabolismo , Anestésicos Locais/farmacologia , Animais , Animais Recém-Nascidos , Estimulação Elétrica/métodos , Proteínas de Fluorescência Verde/metabolismo , Técnicas In Vitro , Potenciação de Longa Duração/efeitos dos fármacos , Potenciação de Longa Duração/fisiologia , Potenciação de Longa Duração/efeitos da radiação , Depressão Sináptica de Longo Prazo/efeitos dos fármacos , Depressão Sináptica de Longo Prazo/fisiologia , Depressão Sináptica de Longo Prazo/efeitos da radiação , Magnésio/farmacologia , Camundongos , Camundongos Knockout , Plasticidade Neuronal/efeitos dos fármacos , Plasticidade Neuronal/efeitos da radiação , Neurônios/efeitos dos fármacos , Neurônios/efeitos da radiação , Neurônios/virologia , Técnicas de Patch-Clamp/métodos , Ratos , Receptores de AMPA/classificação , Receptores de AMPA/deficiência , Receptores de AMPA/genética , Sinapses/efeitos dos fármacos , Transmissão Sináptica/efeitos dos fármacos , Transmissão Sináptica/fisiologia , Transmissão Sináptica/efeitos da radiação , Tetrodotoxina/farmacologia , Fatores de Tempo , Transfecção/métodos , Vibrissas/inervação , Vibrissas/fisiologiaRESUMO
The related small GTPases Ras and Rap1 are important for signaling synaptic AMPA receptor (-R) trafficking during long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), respectively. Rap2, which shares 60% identity to Rap1, is present at excitatory synapses, but its functional role is unknown. Here, we report that Rap2 activity, stimulated by NR2A-containing NMDA-R activation, depresses AMPA-R-mediated synaptic transmission via activation of JNK rather than Erk1/2 or p38 MAPK. Moreover, Rap2 controls synaptic removal of AMPA-Rs with long cytoplasmic termini during depotentiation. Thus, Rap2-JNK pathway, which opposes the action of the NR2A-containing NMDA-R-stimulated Ras-ERK1/2 signaling and complements the NR2B-containing NMDA-R-stimulated Rap1-p38 MAPK signaling, channels the specific signaling for depotentiating central synapses.
Assuntos
Proteínas Quinases JNK Ativadas por Mitógeno/metabolismo , Depressão Sináptica de Longo Prazo/fisiologia , Receptores de AMPA/metabolismo , Transmissão Sináptica/fisiologia , Valina/análogos & derivados , Proteínas rap de Ligação ao GTP/metabolismo , Animais , Animais Recém-Nascidos , Western Blotting/métodos , Células Cultivadas , Interações Medicamentosas , Estimulação Elétrica/métodos , Inibidores Enzimáticos/farmacologia , Agonistas de Aminoácidos Excitatórios/farmacologia , Antagonistas de Aminoácidos Excitatórios/farmacologia , Imunofluorescência/métodos , Regulação da Expressão Gênica/efeitos dos fármacos , Regulação da Expressão Gênica/fisiologia , Proteínas de Fluorescência Verde/metabolismo , Hipocampo/citologia , Técnicas In Vitro , Proteínas Quinases JNK Ativadas por Mitógeno/classificação , Magnésio/farmacologia , Modelos Neurológicos , Mutagênese/fisiologia , N-Metilaspartato/farmacologia , Neurônios/efeitos dos fármacos , Neurônios/fisiologia , Técnicas de Patch-Clamp/métodos , Fosforilação/efeitos dos fármacos , Ratos , Proteínas Recombinantes/biossíntese , Fatores de Tempo , Transfecção/métodos , Valina/farmacologia , Ácido alfa-Amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol Propiônico/farmacologiaRESUMO
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS), the most common adult-onset motor neuron disease is caused by a selective loss of motor neurons. One form of juvenile onset autosomal recessive ALS (ALS2) has been linked to the loss of function of the ALS2 gene. The pathogenic mechanism of ALS2-deficiency, however, remains unclear. To further understand the function of alsin that is encoded by the full-length ALS2 gene, we screened proteins interacting with alsin. Here, we report that alsin interacted with glutamate receptor interacting protein 1 (GRIP1) both in vitro and in vivo, and colocalized with GRIP1 in neurons. In support of the physiological interaction between alsin and GRIP1, the subcellular distribution of GRIP1 was altered in ALS2(-/-) spinal motor neurons, which correlates with a significant reduction of AMPA-type glutamate receptor subunit 2 (GluR2) at the synaptic/cell surface of ALS2(-/-) neurons. The decrease of calcium-impermeable GluR2-containing AMPA receptors at the cell/synaptic surface rendered ALS2(-/-) neurons more susceptible to glutamate receptor-mediated neurotoxicity. Our findings reveal a novel function of alsin in AMPA receptor trafficking and provide a novel pathogenic link between ALS2-deficiency and motor neuron degeneration, suggesting a protective role of alsin in maintaining the survival of motor neurons.