Die langfristige Aufrechterhaltung vieler Formen der synaptischen Plastizität erfordert die Synthese neuer Proteine. Während die Rolle der erfahrungsabhängigen somatischen Gentranskription im Langzeitgedächtnis gut untersucht ist, werden viele mRNAs zu den Dendriten transportiert, was auf eine zusätzliche Rolle der lokalen synaptischen Kontrolle der Proteinsynthese hindeutet. In der Tat ist die aktivitätsabhängige Translation von bereits vorhandener dendritischer mRNA an der Synapse für die Ausprägung verschiedener Formen synaptischer Plastizität notwendig. Das Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP) beeinflusst diese synaptische Plastizität, indem es als wichtiger Regulator der mRNA-Translation fungiert.

FMRP wurde erstmals im Zusammenhang mit dem Fragilen X-Syndrom charakterisiert. Das FMR1-Gen wird bei Fragilem X (FX) zum Schweigen gebracht, und der daraus resultierende Verlust von FMRP führt zu den Symptomen der Störung, zu denen häufig geistige Behinderung und Autismus gehören. Im Fmr1-KO-Mausmodell führt der Verlust von FMRP zu einem erhöhten Niveau der Proteinsynthese. Die nachgelagerten Folgen dieses Anstiegs sind vermutlich der Kern der FX-Pathophysiologie. Es wurden rasche Fortschritte bei der Charakterisierung der Art und Weise erzielt, wie der Verlust von FMRP die synaptische Funktion und Plastizität beeinflusst, und dieses Wissen hat zu mehreren Strategien zur Korrektur der Störung geführt, die bei Tieren validiert wurden und nun beim Menschen getestet werden.

Hier wird kurz auf die Beweise eingegangen, die hauptsächlich von der Fmr1 KO-Maus stammen und auf eine Rolle von FMRP bei der synaptischen Plastizität hindeuten. Obwohl die Unterscheidung nicht immer eindeutig ist, ist es konzeptionell wichtig, Störungen der synaptischen Plastizität, die Folgen einer veränderten Gehirnentwicklung sind, von jenen Störungen der synaptischen Plastizität zu trennen, die zu einer veränderten Gehirnfunktion bei der Fmr1 KO-Maus führen. Obwohl beide für das Verständnis der Pathophysiologie von Krankheiten wichtig sind, ist nur letzteres für die Frage relevant, wie FMRP zur synaptischen Plastizität im Wildtyp-Gehirn beiträgt.

FMRP reguliert die Translation

FMRP ist ein RNA-bindendes Protein und ein Repressor der Translation, der von der Maus bis zum Menschen gut konserviert ist. FMRP assoziiert mit mRNAs über eine von drei RNA-bindenden Domänen, in einigen Fällen in Verbindung mit Adaptorproteinen. Es gibt Hinweise darauf, dass FMRP die Translation sowohl durch Blockierung der Initiation als auch der Elongation unterdrücken kann. Eine Punktmutation in einer FMRP/mRNA-Bindungsdomäne reicht aus, um die Plastizitätsphänotypen zu rekapitulieren, die in der Fmr1 KO-Maus und in mindestens einem Fall FX bei einem menschlichen Patienten beobachtet wurden. Daher ist es wahrscheinlich, dass FMRP die Plastizität hauptsächlich durch seine Rolle als Repressor der Translation reguliert.

FMRP wird durch posttranslationale Modifikationen reguliert. Phosphoryliertes FMRP blockiert die ribosomale Translokation und hemmt die Translation, während eine Dephosphorylierung von FMRP die Translation hochreguliert. Die bidirektionale Regulierung der FMRP-Phosphorylierung durch die S6-Kinase und die Proteinphosphatase 2A (PP2A) als Reaktion auf Aktivität stellt eine mögliche Verbindung zwischen synaptischer Stimulation und lokaler Translation dar.

FMRP ist gut positioniert, um synaptische Plastizität zu regulieren

FMRP ist aus drei Hauptgründen gut positioniert, um ein Schlüsselregulator der synaptischen Plastizität zu sein. Erstens kommt das Protein in dendritischen Stacheln vor, wichtigen postsynaptischen Orten der Plastizitätsinduktion und -erhaltung. Zweitens reguliert FMRP die dendritische mRNA-Translation, die für verschiedene Formen der Plastizität erforderlich ist. Schließlich wird FMRP selbst dynamisch durch Aktivität reguliert: Erfahrung und synaptische Aktivierung können zusätzlich zu der oben erwähnten posttranslationalen Regulierung seine lokale Translation und seinen schnellen Abbau auslösen. Mehrere experimentelle Manipulationen, die mit synaptischer Plastizität in Verbindung gebracht werden, haben gezeigt, dass sie die FMRP-Spiegel erhöhen, einschließlich der Exposition gegenüber einer angereicherten Umgebung, einer komplexen Lernaufgabe und der pharmakologischen Aktivierung von metabotropen Glutatmate-Rezeptoren der Gruppe 1 (mGluRs). Wichtig ist, dass FMRP schnell synthetisiert wird, und zwar in der gleichen Zeitskala (10-30 Minuten) wie die Induktion stabiler synaptischer Plastizität. In Hippocampus-Kulturen könnte der aktivitäts- und mGluR-abhängige Anstieg des dendritischen FMRP eher auf einen verstärkten Transport von bereits vorhandenem FMRP als auf eine de novo-Synthese von FMRP zurückzuführen sein. In jedem Fall ist FMRP ein idealer Kandidat für die Regulierung der synaptischen Plastizität, da es in Dendriten nach gut charakterisierten Paradigmen zur Induktion von Plastizität schnell und vorübergehend ansteigt und als Translationshemmer wirkt.

FMRP reguliert mGluR-LTD über die Proteinsynthese

Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) sind gut charakterisierte Formen der synaptischen Plastizität, die mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung gebracht werden. Diese anhaltenden Veränderungen in der synaptischen Stärke können durch eine Vielzahl von Manipulationen ausgelöst werden, und ihre Ausdrucksmechanismen sind vielfältig. Verschiedene Induktionsprotokolle stützen sich auf unterschiedliche Mechanismen zur Aufrechterhaltung, einschließlich der Notwendigkeit der Proteinsynthese. Ein besonders überzeugendes Beispiel für eine Form der Plastizität, die eine lokale Translation erfordert, ist die vom metabotropen Glutamat-Rezeptor abhängige LTD (mGluR-LTD) in der CA1-Region des Hippocampus. Die Aktivierung von mGluRs der Gruppe 1 (mGluR1 und 5), entweder mit gepaarter niederfrequenter synaptischer Stimulation (PP-LFS) oder mit dem selektiven Agonisten (S)-3,5-Dihydroxyphenylglycin (DHPG) , führt zu einer anhaltenden Abnahme der synaptischen Stärke, die sich mechanistisch von der klassischen NMDA-Rezeptor (NMDAR)-abhängigen LTD unterscheidet. Es ist wichtig anzumerken, dass es mehrere Mechanismen gibt, die der mGluR-Aktivierung nachgeschaltet sind und die synaptische Übertragung beeinträchtigen können, und diese können je nach Induktionsprotokoll, Alter, Aufzuchtgeschichte und Spezies unterschiedlich ausgeprägt sein (z. B. ). Unter geeigneten experimentellen Bedingungen erfordert die Aufrechterhaltung der mGluR-LTD jedoch eine schnelle Proteinsynthese innerhalb weniger Minuten nach der Induktion. Diese Proteinsynthese ist wahrscheinlich synaptisch, da mGluR-LTD auch dann noch induziert werden kann, wenn die dendritische Schicht physisch von der Zellkörperschicht abgetrennt wird. mGluR-LTD wird zum Teil durch die Entfernung von AMPA-Rezeptoren aus den Synapsen exprimiert, was ebenfalls eine schnelle de novo-Translation erfordert. Die neue Proteinsynthese könnte für die synaptische Plastizität eher lehrreich als nur förderlich sein, da die Aktivierung von mGluRs der Gruppe 1 die Proteinsynthese in Hippocampus-Scheiben, Dendriten und Synaptoneurosomen rasch anregt.

Fmr1-Knockout-Mäuse zeigen eine erhöhte hippocampale mGluR-LTD (Tabelle 1). In einer nachfolgenden Studie wurde eine ähnliche Verstärkung der zerebellären mGluR-LTD festgestellt, die viele der gleichen Expressionsmechanismen aufweist. In Übereinstimmung mit den elektophysiologischen Daten führt der Verlust von FMRP zu einer übermäßigen mGluR-vermittelten AMPAR-Internalisierung. Darüber hinaus erfordert mGluR-LTD in den Fmr1-KO-Mäusen keine neue Proteinsynthese mehr. Diese Ergebnisse in Verbindung mit dem, was über die Funktion von FMRP bekannt ist, legen nahe, dass FMRP die Synthese von Proteinen hemmt, die für mGluR-LTD erforderlich sind. In Abwesenheit von FMRP sind diese „LTD-Proteine“ bereits verfügbar oder werden in den Dendriten überexprimiert, was zu einem erhöhten Ausmaß und einer von der Proteinsynthese unabhängigen Persistenz dieser Form der Plastizität führt (Abbildung 1A). Umgekehrt reduziert die postnatale Überexpression von FMRP das Ausmaß der mGluR-LTD sowohl in Wildtyp- als auch in Fmr1-KO-Neuronen und stellt ihre Abhängigkeit von der Proteinsynthese wieder her. Darüber hinaus stellt die Reduzierung der mGluR5-Signalisierung in Fmr1-KO-Mäusen sowohl die Proteinsyntheseraten als auch das Ausmaß der LTD im Hippocampus auf Wildtyp-Niveau wieder her, was darauf hindeutet, dass mGluR5 und FMRP in funktioneller Opposition wirken, um ein optimales Niveau der synaptischen Proteinsynthese während der gesamten Entwicklung und bis ins Erwachsenenalter aufrechtzuerhalten (Abbildung 1A).

L-LTP scheint in Fmr1 KO-Mäusen normal zu sein

Während die Auswirkungen der Proteinsynthesehemmung auf mGluR-LTD innerhalb von Minuten zu sehen sind, erfordern die meisten Formen der synaptischen Plastizität keine De-novo-Synthese bis mehrere Stunden nach der Induktion. Dies ist am besten durch die Spätphasen-LTP (L-LTP) charakterisiert, eine persistente Form der Potenzierung, die mindestens 4 Stunden andauert. Die späte Erhaltungsphase der L-LTP erfordert eine Proteinsynthese, die anfängliche Induktion jedoch nicht. Aufgrund der vermuteten Rolle von FMRP bei der Regulierung der Translation war die L-LTP eine der ersten Formen der Plastizität, die in der Fmr1 KO-Maus untersucht wurde. Interessanterweise wurde kein Unterschied im Ausmaß der L-LTP in der Fmr1-KO-Maus festgestellt. Die Tatsache, dass die Entfernung von FMRP die von der Proteinsynthese abhängige LTD, nicht aber die LTP beeinträchtigt, deutet darauf hin, dass FMRP die Translation von Proteinen, die für die Ausprägung der LTD erforderlich sind, spezifisch regulieren kann (Abbildung 1B). Während das Ausmaß der L-LTP unverändert bleibt, ist es jedoch möglich, dass sich die L-LTP in ihrer Anforderung an die neue Proteinsynthese qualitativ unterscheidet, wenn FMRP fehlt, wie es bei mGluR-LTD (und LTP-Priming, siehe unten) der Fall ist. Daher wird es wichtig sein, die Abhängigkeit der L-LTP von der Proteinsynthese in Fmr1-KO-Mäusen zu testen, um zu zeigen, dass FMRP tatsächlich keine Rolle bei der Regulierung der Persistenz der LTP spielt.

Alternativ könnte FMRP für die Regulierung der lokalen, aber nicht der somatischen Translation im Zusammenhang mit L-LTP erforderlich sein (Abbildung 1C). L-LTP wird traditionell durch mehrere Züge von hochfrequenten Tetanus- oder Theta-Burst-Stimulationen ausgelöst, Protokolle, die auf zellweite Transkription und Translation angewiesen sind. L-LTP wurde in der Fmr1 KO-Maus mit diesen klassischen Paradigmen charakterisiert. Die Verwendung eines weniger intensiven Induktionsprotokolls führt jedoch zu L-LTP, die speziell durch lokale dendritische Translation aufrechterhalten wird. Diese Form der L-LTP ist ähnlich wie die mGluR-LTD empfindlich gegenüber Inhibitoren der Translation, aber nicht der Transkription, und kann in isolierten Dendriten aufrechterhalten werden. Es wird interessant sein festzustellen, ob diese lokal exprimierte Form der L-LTP durch FMRP reguliert wird.

FMRP reguliert das LTP-Priming

Während die Rolle von FMRP bei der L-LTP unklar ist, ist bekannt, dass FMRP in anderen Zusammenhängen an der LTP beteiligt ist. Insbesondere ist FMRP an der Regulierung einer mGluR-abhängigen Form der Metaplastizität beteiligt, die die Schwelle für LTP festlegt. Ursprünglich bei Ratten beschrieben, erleichtert eine schwache Aktivierung von mGluRs der Gruppe 1, die an sich für die Induktion von LTD nicht ausreicht, die anschließende Induktion von LTP („LTP-Priming“). Wie bei der mGluR-LTD erfordert diese Erleichterung eine Übersetzung, aber keine Transkription. Dies veranlasste uns, die Rolle von FMRP beim LTP-Priming zu untersuchen. Das mGluR-abhängige Priming von LTP ist bei WT- und Fmr1-KO-Mäusen in vergleichbarem Ausmaß vorhanden; während das LTP-Priming bei WT-Mäusen jedoch eine akute Stimulation der Proteinsynthese erfordert, ist es bei Fmr1-KO-Mäusen nicht mehr von der Proteinsynthese abhängig. Während also mGluR-LTD und LTP-Priming qualitativ unterschiedliche funktionelle Folgen der Gp1-mGluR-stimulierten Proteinsynthese im Hippocampus sind, werden beide Prozesse durch die Entfernung von FMRP verändert (Abbildung 1D). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die mRNA unter der Translationskontrolle von FMRP für Proteine kodiert, die für bidirektionale Veränderungen der synaptischen Stärke erforderlich sind. Daher sollten die von FMRP regulierten Proteine als Plastizitätswächter und nicht nur als „LTD-Proteine“ betrachtet werden.

Die Induktionsschwelle für LTP und STD-LTP ist bei Fmr1 KO-Mäusen erhöht

In Fmr1 KO-Hippocampusschnitten ist die LTP-Induktion mit einem schwachen 5-Theta-Burst-Protokoll unzureichend, aber mit einem starken 10-Theta-Burst-Protokoll normal (Abbildung 2A). Darüber hinaus moduliert FMRP die Induktionsschwelle für spike-timing-abhängige Langzeitpotenzierung (STD-LTP). Diese Form der Hebb’schen Plastizität wird durch zeitlich gestaffelte präsynaptische und postsynaptische Aktivität innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters ausgelöst. In somatosensorischen und präfrontalen Kortizes ist STD-LTP in Fmr1 KO-Neuronen unzureichend. Wird jedoch die Stärke des postsynaptischen Reizes von einem einzelnen Spike auf einen Burst von fünf Spikes erhöht, tritt STD-LTP in KO-Neuronen auf (Abbildung 2A). Daher ist FMRP für die Ausprägung von STD-LTP nicht erforderlich, aber die Schwelle wird in seiner Abwesenheit angehoben. Ein möglicher Mechanismus für die laufende Regulierung der LTP-Schwellenwerte durch FMRP wird später in dieser Übersicht diskutiert.

FMRP und andere translationsabhängige Formen der Plastizität

Neben seiner Rolle bei translationsabhängigen Formen der Hebbschen Plastizität kann FMRP auch einige Formen der homöostatischen Plastizität modulieren. Synaptische Skalierung ist eine Form der homöostatischen Plastizität, die dazu dient, die Stärke von Synapsen als Reaktion auf extreme Aktivitätsänderungen innerhalb eines funktionellen Bereichs zu halten. Im Großen und Ganzen führt eine Abnahme der Aktivität zu einer anschließenden zellweiten Zunahme der synaptischen Stärke („scaling up“) und eine Zunahme der Aktivität zu einer Abnahme der synaptischen Stärke („scaling down“). In Hippocampus-Slice-Kulturen wurden zwei Arten des Scaling-up beschrieben: eine, die Transkription erfordert, und eine, die lokale Translation erfordert. Interessanterweise ist in Neuronen, denen FMRP fehlt, nur die translationsabhängige Form der synaptischen Skalierung unzureichend. Die postsynaptische virale Expression von FMRP korrigiert die mangelhafte translationabhängige Skalierung in Fmr1 KO-Neuronen. Das Herunterfahren von Synapsen als Reaktion auf ein hohes Aktivitätsniveau (nach längerer Blockade der Hemmung) wurde ebenfalls beobachtet und erfordert eine mGluR5-Aktivierung. Die Rolle von FMRP und der lokalen Proteinsynthese bei der Verkleinerung ist jedoch nicht direkt untersucht worden.

Die Rolle von FMRP ist zwar am besten für mGluR-abhängige Formen der Plastizität charakterisiert worden, ist aber nicht spezifisch für diese Rezeptoren. Die Entfernung von FMRP verhindert TrkB-vermittelte Steigerungen der Proteinsynthese und verändert andere Formen der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) abhängigen LTD und LTP. Diesen Prozessen ist gemeinsam, dass sie auf die lokale dendritische Translation angewiesen sind. Tatsächlich gibt es Hinweise darauf, dass FMRP speziell für die Regulierung der lokalen und nicht der somatischen Translation wichtig sein könnte (Abbildung 1C), da die Entfernung von FMRP zwar die Translation, nicht aber transkriptionsabhängige Formen der hebbschen und homöostatischen Plastizität beeinflusst.

FMRP und translationsunabhängige Plastizität

Während viele Formen der translationsabhängigen synaptischen Plastizität in Fmr1 KO-Mäusen abnormal sind, sind andere Formen der hippocampalen Plastizität, einschließlich NMDAR-abhängige LTD und Frühphasen-LTP, normal. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass FMRP die Plastizität hauptsächlich durch seine Rolle als Regulator der Translation reguliert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Entfernung von FMRP auch einige Formen der synaptischen Plastizität beeinträchtigt, die keine De-novo-Translation erfordern, wie z. B. die Frühphasen-LTP in anderen Hirnbereichen, einschließlich des Kortex und der Amygdala. Einige dieser Effekte könnten durch eine FMRP-Modulation der von der Proteinsynthese abhängigen Schwellenwerte für die Plastizität erklärt werden; es scheint jedoch wahrscheinlich, dass viele von ihnen Endstufenfolgen einer veränderten synaptischen Entwicklung bei Fmr1 KO sind.

Ein Beispiel ist die veränderte LTP in der Amygdala. An denselben Synapsen, die eine gestörte LTP aufwiesen, wurde ein erhebliches Defizit in der basalen Übertragung festgestellt. Eine verringerte synaptische Konnektivität könnte die Ursache für die gestörte LTP sein und als Folge einer erhöhten FMRP-abhängigen Proteinsynthese während der Entwicklung der Amygdala-Schaltkreise entstanden sein.

Kandidaten für Plastizitäts-Gating-Proteine, die von FMRP reguliert werden

Um festzustellen, wie FMRP die synaptische Plastizität reguliert, müssen wir die synaptischen Proteine identifizieren, deren Translation von FMRP reguliert wird. FMRP hat eine Vielzahl von Zielproteinen – es hat sich gezeigt, dass es etwa 4 % der mRNA im Gehirn von Säugetieren selektiv bindet. Kürzlich wurden über 800 mRNA-Bindungsziele von FMRP mit Hilfe eines neuartigen Hochdurchsatz-Vernetzungsimmunopräzipitationstests (HITS-CLIP) identifiziert. Zu diesen Targets gehören Gene, die für prä- und postsynaptisch exprimierte Proteine kodieren: 27% der präsynaptischen Protein-mRNAs (90 Gene) und 23% der postsynaptischen Protein-mRNAs (257 Gene) sind FMRP-Targets. Im Einzelnen ergab die HITS-CLIP-Studie, dass 31 % der mRNAs, die für Proteine im NMDAR-Komplex (58 Gene), 62 % im mGluR5-Komplex (32 Gene) und 33 % im AMPAR-Komplex (3 Gene) kodieren, FMRP-Targets sind. Diese drei Rezeptorkomplexe sind wichtig für die Induktion und Aufrechterhaltung der synaptischen Plastizität, was darauf hindeutet, dass FMRP wahrscheinlich allgemein als Translationsregulator wirkt und nicht nur ein oder zwei „Plastizitätsproteine“ reguliert.

Die Feststellung, dass viele FMRP-Ziele für präsynaptische Proteine kodieren, ist interessant und aufschlussreich. Im reifen Nervensystem sind die Beweise für die lokale Proteinsynthese in Axonen oder Axonendigungen immer noch spärlich; es wird jedoch angenommen, dass die lokale Proteinsynthese während der frühen Axonentwicklung und der Synapsenbildung eine wichtige Rolle bei der Auswahl der Bahnen und Ziele spielt. Das Fehlen der FMRP-Regulierung der Proteinsynthese während der frühen Entwicklung verändert also sehr wahrscheinlich die synaptische Konnektivität lange vor dem Einsetzen der erfahrungsabhängigen postnatalen Plastizität. Darüber hinaus spielt außerhalb des ZNS die lokale Kontrolle der Translation in sensorischen afferenten Terminals eine Rolle bei der nozizeptiven Sensibilisierung und neuropathischen Schmerzen. FMRP ist an diesen Terminals lokalisiert, und Fmr1 KO-Mäuse zeigen eine veränderte nozizeptive Sensibilisierung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass im Rückenmark präsynaptisches FMRP die lokale Translation hemmen und die Schmerzplastizität bis ins Erwachsenenalter regulieren kann.

Wir haben zwei Hauptkategorien von Plastizitätsdefekten bei Fmr1 KO-Mäusen diskutiert: (1) Formen der Plastizität, die FMRP/lokale Translation für ihre Aufrechterhaltung benötigen (mGluR-LTD) und (2) Formen der Plastizität, bei denen FMRP ihre Induktionsschwelle reguliert (STD-LTP). Wir werden einige Proteine aus beiden Kategorien diskutieren, die angesichts ihrer Regulierung durch FMRP und ihrer bekannten Rolle bei der Aufrechterhaltung der Plastizität und der Festlegung der Schwelle in Wildtyp-Synapsen wahrscheinlich beteiligt sind. Diese „Kandidatenproteine“ sollen als Beispiele dafür dienen, wie FMRP die synaptische Plastizität regulieren könnte.

Plastizitätserhaltungsproteine: MAP1B, Arc und STEP

In neueren Arbeiten wurden Proteine identifiziert, deren Translation durch FMRP reguliert wird und die an mGluR-LTD beteiligt sind, darunter das Mikrotubuli-assoziierte Protein 1B (MAP1B) und das aktivitätsregulierte zytoskelett-assoziierte Protein (Arc). MAP1B ist für die mGluR-abhängige AMPA-Rezeptor-Endozytose erforderlich, den Mechanismus, durch den mGluR-LTD ausgedrückt wird. FMRP assoziiert mit MAP1B-mRNA und unterdrückt deren Translation, und Fmr1-KO-Mäuse zeigen eine erhöhte MAP1B-Expression im Hippocampus. Möglicherweise gibt es jedoch stamm- und regionsspezifische Unterschiede in der Art und Weise, wie FMRP die MAP1B-Translation reguliert. Zum Beispiel kann FMRP im Kleinhirn und im Hippocampus von FVB-Mäusen die MAP1B-Expression positiv regulieren.

Arc ist an der AMPAR-Endozytose beteiligt und wird in Dendriten nach mGluR-Aktivierung und Verhalten hochreguliert. Arc ist für mGluR-LTD und L-LTP im Hippocampus erforderlich, die beide von der Proteinsynthese abhängig sind, und Arc-/- Mäuse haben vielfältige Lerndefizite. FMRP bindet die Arc-mRNA und unterdrückt ihre Translation. Infolgedessen ist die Arc-Expression in Fmr1-KO-Dendriten erhöht. Da (a) mGluR-LTD in Fmr1 KO-Mäusen erhöht ist, (b) Arc in Fmr1 KO-Dendriten erhöht ist und (c) Arc für mGluR-LTD erforderlich ist, scheint es wahrscheinlich, dass FMRP mGluR-LTD über Arc reguliert. Diese Hypothese wurde direkt mit Fmr1/Arc-Doppel-Knockout-Mäusen getestet, die einen Mangel an mGluR-LTD aufweisen (und nicht etwa einen übermäßigen). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass eine erhöhte Arc-Expression teilweise für die erhöhte mGluR-LTD in Fmr1-KO-Mäusen verantwortlich sein könnte.

Mechanistisch gesehen ist die Dephosphorylierung von FMRP durch die Phosphatase PP2A für eine schnelle mGluR-vermittelte Zunahme des Arc-Proteins erforderlich. In Fmr1-KO-Neuronen sind die Arc-Spiegel jedoch basal erhöht, was eine weitere Wirkung der DHPG-Behandlung ausschließt. Die akute virale Wiedereinführung von FMRP in Fmr1-KO-Neuronen normalisiert die dendritischen Arc-Spiegel und stellt die schnelle mGluR-vermittelte Arc-Synthese wieder her. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass der akute Verlust von FMRP und nicht eine Entwicklungsanomalie den Phänotypen der synaptischen Plastizität in der Fmr1-Knockout-Maus zugrunde liegt. eregulation der Translation.

Neben MAP1B und Arc wurden in der Fmr1-KO-Maus zahlreiche weitere LTD-Protein-Kandidaten identifiziert. Ein interessantes Beispiel ist die striatal-angereicherte Protein-Tyrosin-Phosphatase (STEP). Die Translation von STEP ist während der mGluR-LTD erhöht, und die STEP-mRNA bindet an FMRP. Eine genetische Reduzierung von STEP korrigiert Verhaltensphänotypen in der Fmr1-KO-Maus; es ist jedoch nicht bekannt, ob entsprechende LTD-Phänotypen betroffen sind. Weitere Kandidatenproteine sind APP , OPHN1 , CaMKIIα , PSD-95 und PI3K .

Plastizitätsschwellen-regulierende Proteine: Kv4.2

Eine kürzlich erschienene Übersichtsarbeit über die Rolle von Kaliumkanälen bei Fragilem X gibt Aufschluss darüber, wie FMRP die Erregbarkeit regulieren kann. FMRP reguliert direkt die Übersetzung von mindestens drei Kaliumkanälen: Kv4.2, Kv3.1b und Slack. Die Kontrolle der Kv4.2-Translation durch FMRP könnte indirekte Auswirkungen auf die Regulierung der Schwelle für die LTP- und STD-LTP-Induktion haben.

Kv4.2 ist ein Kaliumkanal vom A-Typ, der die dendritische Erregbarkeit und das Ausmaß der Rückübertragung von Aktionspotenzialen reguliert. Ströme vom A-Typ dämpfen die dendritische Erregbarkeit und die AP-Backpropagation (Abbildung 2B). Durch die Modulation der Stärke der Backpropagation reguliert Kv4.2 nachweislich auch die Schwelle für LTP und STD-LTP. In Abwesenheit von Kv4.2 sind die Dendriten stärker erregbar, und die Schwelle für die LTP-Induktion ist niedriger.

Fmr1 KO-Mäuse haben eine höhere Schwelle für die LTP- und STD-LTP-Induktion, wie bereits erwähnt (Abbildung 2A). Eine mögliche Hypothese für dieses Phänomen ist, dass FMRP die Translation von Kv4.2 hemmt und Fmr1-KO-Mäuse eine übermäßige Synthese von Kv4.2-Protein in den Dendriten aufweisen. In der Tat assoziiert FMRP direkt mit der Kv4.2-mRNA und reguliert diese negativ. Aber ist dies der Grund für die veränderte LTP/STD-LTP-Schwelle in Fmr1 KO-Mäusen? Die pharmakologische Hemmung von Kv4.2 in Fmr1-KO-Mäusen korrigiert die mangelhafte LTP bei schwachen Stimuli im Hippocampus, während die LTP bei starken Stimuli unverändert bleibt (Abbildung 2C). Dieser Befund deutet darauf hin, dass die erhöhte Schwelle für LTP in der Fmr1-KO-Maus auf eine erhöhte Translation des Kaliumkanals Kv4.2 zurückzuführen sein könnte.

Interessanterweise hat eine andere Gruppe kürzlich gezeigt, dass FMRP unter ihren Bedingungen die Translation von Kv4.2 positiv reguliert. Diese Studie befasste sich nicht mit den potenziellen Folgen eines verminderten Kv4.2 bei Fmr1 KO auf die synaptische Plastizität. Man würde eine erhöhte dendritische Erregbarkeit erwarten, über die bereits in anderen Zusammenhängen berichtet wurde, sowie eine niedrigere LTP-Schwelle. Es wird wichtig sein, die genauen experimentellen und In-vivo-Bedingungen zu bestimmen, unter denen jedes dieser gegensätzlichen Regulierungsmuster auftreten kann, aber es ist klar, dass die Regulierung von Kv4.2 durch FMRP in beide Richtungen wichtige Konsequenzen für die Plastizität hätte.

FMRP, synaptische Plastizität und Lernen

Lang anhaltende synaptische Potenzierung und Depression werden seit langem als mögliche neuronale Korrelate von Lernen und Gedächtnis angesehen. In Verbindung mit der Rolle von FMRP bei der synaptischen Plastizität in mehreren Hirnregionen ist FMRP auch wichtig für eine Vielzahl von Verhaltenslernaufgaben bei Mäusen. Fmr1 KO-Mäuse zeigen ein mangelhaftes amygdalares Spurenfurchtgedächtnis, Kleinhirnlernen, hemmendes Vermeidungslernen und haben Schwierigkeiten mit einer präfrontalen kognitiven Lernaufgabe. Bei Drosophila-Mutanten, denen FMRP fehlt, ist auch das Langzeitgedächtnis beeinträchtigt. Insgesamt sind Lern- und Gedächtnisdefizite in der Fmr1 KO-Maus eine wahrscheinliche Verhaltensfolge einer abnormalen synaptischen Plastizität.