Monien synaptisen plastisuuden muotojen pitkäaikainen ylläpito edellyttää uusien proteiinien synteesiä. Vaikka kokemuksesta riippuvaisen somaattisen geenin transkription roolia pitkäaikaisessa muistissa on tutkittu hyvin , monet mRNA:t kulkeutuvat dendriitteihin, mikä viittaa proteiinisynteesin paikallisen synaptisen kontrollin lisärooliin. Synapsissa jo olemassa olevan dendriittisen mRNA:n aktiivisuudesta riippuvainen translaatio on nimittäin välttämätöntä useiden synaptisen plastisuuden muotojen ilmentymiselle. Fragile X mental retardation protein (FMRP) vaikuttaa tähän synaptiseen plastisuuteen toimimalla mRNA:n translaation keskeisenä säätelijänä .

FMRP luonnehdittiin ensimmäisen kerran Fragile X -oireyhtymän yhteydessä. FMR1-geeni hiljenee Fragile X -oireyhtymässä (FX), ja siitä johtuva FMRP:n menetys johtaa häiriön oireisiin, joihin usein kuuluu älyllinen kehitysvammaisuus ja autismi. Fmr1 KO -hiirimallissa FMRP:n menetys johtaa proteiinisynteesin lisääntymiseen. Tämän kasvun seurausten uskotaan olevan FX:n patofysiologian ytimessä. Nopeasti on edistytty sen kuvaamisessa, miten FMRP:n menetys vaikuttaa synaptiseen toimintaan ja plastisuuteen, ja tämä tieto on johtanut useisiin häiriön korjaamiseen tähtääviin strategioihin, jotka on validoitu eläimillä ja joita nyt testataan ihmisillä .

Tässä käymme lyhyesti läpi lähinnä Fmr1 KO -hiirestä saadut todisteet, jotka viittaavat FMRP:n rooliin synaptisessa plastisuudessa. Vaikka erottelu ei ole aina selkeä, on käsitteellisesti tärkeää erottaa synaptisen plastisuuden häiriöt, jotka ovat seurausta aivojen muuttuneesta kehityksestä, niistä synaptisen plastisuuden häiriöistä, jotka aiheuttavat Fmr1 KO -hiiren muuttuneita aivotoimintoja. Vaikka molemmat ovat tärkeitä sairauden patofysiologian ymmärtämisen kannalta, vain jälkimmäisellä on merkitystä sen kysymyksen kannalta, miten FMRP vaikuttaa synaptiseen plastisuuteen villityypin aivoissa.

FMRP säätelee translaatiota

FMRP on RNA:ta sitova proteiini ja translaation repressori, joka on hyvin konservoitunut hiiristä ihmiseen. FMRP assosioituu mRNA:n kanssa yhden kolmesta RNA:ta sitovasta domeenista kautta , joissakin tapauksissa yhdessä adaptoriproteiinien kanssa . On näyttöä siitä, että FMRP voi tukahduttaa translaatiota sekä estämällä translaation käynnistymisen että pidentymisen . Pistemutaatio yhdessä FMRP/mRNA:ta sitovassa domeenissa riittää toistamaan Fmr1 KO -hiirellä ja ainakin yhdessä tapauksessa FX ihmispotilaalla havaitut plastisuusfenotyypit . Näin ollen on todennäköistä, että FMRP säätelee plastisuutta pääasiassa translaation repressorina.

FMRP:tä säädellään posttranslationaalisilla modifikaatioilla. Fosforyloitunut FMRP jarruttaa ribosomaalista translokaatiota ja estää translaatiota, kun taas FMRP:n defosforylaatio säätelee translaatiota . FMRP:n fosforylaation kaksisuuntainen säätely S6-kinaasin ja proteiinifosfataasi 2A:n (PP2A) toimesta vasteena aktiivisuudelle tarjoaa mahdollisen yhteyden synaptisen stimulaation ja paikallisen translaation välille.

FMRP on hyvin asemoitunut säätelemään synaptista plastisuutta

FMRP on hyvin asemoitunut keskeiseksi säätelijäksi synaptisen plastisuuden säätelijäksi kolmesta syystä. Ensinnäkin proteiinia esiintyy dendriittisissä selkärangoissa , jotka ovat tärkeitä postsynaptisia paikkoja plastisuuden induktiossa ja ylläpidossa. Toiseksi FMRP säätelee dendriittisen mRNA:n translaatiota, jota tarvitaan useissa plastisuuden muodoissa. Lopuksi FMRP:tä itseään säätelee dynaamisesti toiminta: kokemus ja synaptinen aktivaatio voivat käynnistää sen paikallisen translaation ja nopean hajoamisen edellä mainitun posttranslationaalisen säätelyn lisäksi. Useiden synaptiseen plastisuuteen liittyvien kokeellisten manipulaatioiden on osoitettu lisäävän FMRP-tasoja, mukaan lukien altistuminen rikastuneelle ympäristölle, monimutkainen oppimistehtävä ja ryhmän 1 metabotrooppisten glutaattireseptorien (mGluR) farmakologinen aktivointi . Tärkeää on, että FMRP syntetisoituu nopeasti, samassa ajassa (10-30 minuuttia) kuin vakaan synaptisen plastisuuden induktio . Hippokampusviljelmissä aktiivisuudesta ja mGluR:istä riippuvainen dendriittisen FMRP:n lisääntyminen voi johtua pikemminkin olemassa olevan FMRP:n lisääntyneestä liikenteestä kuin de novo FMRP-synteesistä . Niin tai näin, FMRP on ihanteellinen ehdokas osallistumaan synaptisen plastisuuden säätelyyn, koska se nousee nopeasti ja ohimenevästi dendriiteissä hyvin karakterisoitujen plastisuuden induktioparadigmojen jälkeen sekä sen roolista translaation estäjänä.

FMRP säätelee mGluR-LTD:tä proteiinisynteesin välityksellä

Pitkäkestoinen potentiaatio (LTP) ja pitkäaikainen depressio (LTD) ovat oppimiseen ja muistioppimiseen liittyviä hyvin karakterisoituja synaptisen plastisuuden muotoja. Nämä synaptisen voimakkuuden pysyvät muutokset voidaan indusoida erilaisilla manipulaatioilla, ja niiden ilmentymismekanismit ovat moninaisia. Eri induktioprotokollat perustuvat erilaisiin ylläpitomekanismeihin, mukaan lukien proteiinisynteesin vaatimus. Erityisen vakuuttava esimerkki paikallista translaatiota vaativasta plastisuuden muodosta on metabotrooppisesta glutamaattireseptorista riippuvainen LTD (mGluR-LTD) hippokampuksen CA1-alueella. Ryhmän 1 mGluR:ien (mGluR1 ja 5) aktivointi joko paripulssisella matalataajuisella synaptisella stimulaatiolla (PP-LFS) tai selektiivisellä agonistilla (S)-3,5-dihydroksifenyyliglysiinillä (DHPG) johtaa synaptisen voimakkuuden pysyvään vähenemiseen, joka eroaa mekanistisesti klassisesta NMDA-reseptorista (NMDAR) riippuvaisesta LTD:stä. On tärkeää huomata, että on olemassa useita mGluR-aktivaation jälkeisiä mekanismeja, jotka voivat heikentää synaptista siirtoa, ja nämä voivat ilmentyä eri tavoin induktioprotokollasta, iästä, kasvatushistoriasta ja lajista riippuen (esim. ). Sopivissa koeolosuhteissa mGluR-LTD:n ylläpitäminen edellyttää kuitenkin nopeaa proteiinisynteesiä muutamassa minuutissa induktion jälkeen . Tämä proteiinisynteesi on todennäköisesti synaptista, koska mGluR-LTD voidaan edelleen indusoida, jos dendriittinen kerros irrotetaan fyysisesti solurunkokerroksesta . mGluR-LTD:tä ilmentää osittain AMPA-reseptorien poistaminen synapseista, mikä edellyttää myös nopeaa de novo -translaatiota . Uusi proteiinisynteesi voi olla pikemminkin opettavainen kuin pelkästään salliva synaptisen plastisuuden kannalta, koska ryhmän 1 mGluR:ien aktivointi stimuloi nopeasti proteiinisynteesiä hippokampuksen viipaleissa , dendriiteissä ja synaptoneurosomeissa .

Fmr1 knockout -hiirillä on havaittavissa tehostunutta hippokampuksen mGluR-LTD:tä (taulukko 1). Myöhemmässä tutkimuksessa havaittiin samanlainen tehostuminen pikkuaivojen mGluR-LTD:ssä, jolla on monia samoja ilmentymismekanismeja . Johdonmukaisesti sähköfysiologisten tietojen kanssa FMRP:n menetys johtaa liialliseen mGluR-välitteiseen AMPAR-internalisaatioon . Lisäksi mGluR-LTD ei enää vaadi uutta proteiinisynteesiä Fmr1 KO -hiirissä . Nämä tulokset yhdistettynä siihen, mitä FMRP:n toiminnasta tiedetään, viittaavat siihen, että FMRP toimii estääkseen mGluR-LTD:n edellyttämien proteiinien synteesin. FMRP: n puuttuessa nämä ”LTD-proteiinit” ovat jo saatavilla tai yli-ilmentyneet dendriiteissä, mikä johtaa tämän plastisuuden muodon lisääntyneeseen suuruuteen ja proteiinisynteesistä riippumattomaan pysyvyyteen (kuva 1A) . Sitä vastoin FMRP: n postnataalinen yliekspressio vähentää mGluR-LTD: n suuruutta sekä villityyppisissä että Fmr1 KO -neuroneissa ja palauttaa sen proteiinisynteesiriippuvuuden . Lisäksi mGluR5-signaloinnin vähentäminen Fmr1 KO -hiirissä palauttaa sekä proteiinisynteesin nopeuden että LTD:n suuruuden hippokampuksessa villityypin tasolle , mikä viittaa siihen, että mGluR5 ja FMRP toimivat toiminnallisessa vastakkainasettelussa säilyttääkseen synaptisen proteiinisynteesin optimaalisen tason koko kehityksen ajan ja aikuisuuteen asti (kuva 1A).

L-LTP vaikuttaa normaalilta Fmr1 KO -hiirillä

Vaikka proteiinisynteesin eston vaikutukset mGluR-LTD:hen näkyvät jo muutamassa minuutissa, suurin osa synaptisen plastisuuden muodoista ei vaadi de-novo-synteesiä ennen kuin vasta useiden tuntien kuluttua induktiosta. Tätä luonnehtii parhaiten myöhäisvaiheen LTP (L-LTP), joka on vähintään 4 tuntia kestävä potensoinnin pysyvä muoto. L-LTP:n myöhäinen ylläpitovaihe vaatii proteiinisynteesiä, mutta alkuperäinen induktio ei . FMRP:n oletetun roolin vuoksi translaation säätelyssä L-LTP oli yksi ensimmäisistä plastisuuden muodoista, joita tutkittiin Fmr1 KO -hiirellä . Mielenkiintoista on, että L-LTP:n suuruudessa ei ole havaittu eroa Fmr1 KO -hiirellä . Se, että FMRP:n poistaminen vaikuttaa proteiinisynteesistä riippuvaiseen LTD:hen mutta ei LTP:hen, viittaa siihen, että FMRP voi erityisesti säädellä LTD:n ilmentymiseen tarvittavien proteiinien translaatiota (kuva 1B). Vaikka L-LTP: n suuruus ei kuitenkaan muutu, on mahdollista, että L-LTP on laadullisesti erilainen sen vaatimuksessa uudelle proteiinisynteesille, kun FMRP puuttuu, kuten mGluR-LTD: n tapauksessa (ja LTP-priming, katso alla). Siksi on tärkeää testata L-LTP:n proteiinisynteesistä riippuvuutta Fmr1 KO -hiirissä, jotta voidaan osoittaa, että FMRP:llä ei todellakaan ole roolia LTP:n pysyvyyden säätelyssä.

Vaihtoehtoisesti FMRP:tä saatetaan tarvita paikallisen mutta ei somaattisen translaation säätelyyn L-LTP:n yhteydessä (kuva 1C). L-LTP on perinteisesti indusoitu useilla korkeataajuisilla tetanus- tai theta-purkausstimulaatioilla, protokollilla, jotka perustuvat solunlaajuiseen transkriptioon ja translaatioon . L-LTP:tä luonnehdittiin Fmr1 KO -hiirellä käyttämällä näitä klassisia paradigmoja . Vähemmän intensiivisen induktioprotokollan käyttö johtaa kuitenkin L-LTP:hen, jota ylläpidetään erityisesti paikallisen dendriittisen translaation avulla . Tämä L-LTP:n muoto, joka on samanlainen kuin mGluR-LTD, on herkkä translaation mutta ei transkription estäjille, ja sitä voidaan ylläpitää eristetyissä dendriiteissä. On mielenkiintoista selvittää, sääteleekö FMRP tätä paikallisesti ilmentyvää L-LTP:n muotoa.

FMRP säätelee LTP-primingia

Mikäli FMRP:n rooli L-LTP:ssä on epäselvä, FMRP:n tiedetään osallistuvan LTP:hen muissa yhteyksissä. Erityisesti FMRP osallistuu mGluR-riippuvaisen metaplastisuuden muodon säätelyyn, joka asettaa LTP:n kynnyksen. Alun perin rotilla kuvattu ryhmän 1 mGluR:ien heikko aktivaatio, joka itsessään ei riitä LTD-induktioon, helpottaa LTP:n myöhempää induktiota (”LTP priming”). Kuten mGluR-LTD:n kohdalla, tämä helpotus edellyttää translaatiota mutta ei transkriptiota . Tämä sai meidät tutkimaan FMRP:n roolia LTP:n primingissä . mGluR-riippuvainen LTP:n priming on verrattavissa olevaa suuruusluokkaa WT- ja Fmr1 KO -hiirillä; mutta vaikka LTP:n priming vaatii proteiinisynteesin akuuttia stimulaatiota WT-hiirillä, se ei ole enää riippuvainen proteiinisynteesistä Fmr1 KO -hiirillä. Näin ollen, vaikka mGluR-LTD ja LTP-priming ovat laadullisesti erilaisia toiminnallisia seurauksia Gp1 mGluR-stimuloidusta proteiinisynteesistä hippokampuksessa, molemmat prosessit muuttuvat FMRP:n poistamisen seurauksena (kuva 1D). Nämä tulokset viittaavat siihen, että FMRP:n translaatiokontrollissa oleva mRNA voi koodata proteiineja, joita tarvitaan synaptisen voimakkuuden kaksisuuntaisiin muutoksiin. Näin ollen FMRP:n säätelemät proteiinit tulisi käsitteellistää plastisuuden portinvartijoiksi eikä pelkästään ”LTD-proteiineiksi.”

LTP:n ja STD-LTP:n induktiokynnystä nostetaan Fmr1 KO -hiirissä

Fmr1 KO -hiippokampusviipaleissa LTP-induktio on puutteellinen heikolla 5:n theta-räjähdyskäytännöllä, mutta se on normaali voimakkaalla 10:n theta-räjähdyskäytännöllä (kuva 2A) . Lisäksi FMRP moduloi induktiokynnystä spike-timing-riippuvaiselle pitkäaikaispotentiaatiolle (STD-LTP). Tämä Hebbin plastisuuden muoto indusoidaan ajallisesti porrastetulla presynaptisella ja postsynaptisella aktiivisuudella hyvin lyhyessä ikkunassa . Somatosensorisessa ja prefrontaalisessa aivokuoressa STD-LTP on puutteellinen Fmr1 KO -neuroneissa . Jos postsynaptisen ärsykkeen voimakkuutta lisätään yhdestä piikistä viiden piikin purskeeseen, STD-LTP tapahtuu kuitenkin KO-neuroneissa (kuva 2A) . FMRP:tä ei siis tarvita STD-LTP:n ilmentymiseen, mutta kynnys nousee sen puuttuessa. Mahdollista mekanismia FMRP:n suorittamalle LTP-kynnyksen jatkuvalle säätelylle käsitellään myöhemmin tässä katsauksessa.

FMRP ja muut translaatiosta riippuvaiset plastisuuden muodot

Sen lisäksi, että FMRP:llä on rooli translaatiosta riippuvaisissa Hebbiläisen plastisuuden muodoissa, se voi myös moduloida joitain homeostaattisen plastisuuden muotoja. Synaptinen skaalautuminen on homeostaattisen plastisuuden muoto, joka toimii pitääkseen synapsien voimakkuuden toiminnallisella alueella vastauksena äärimmäisiin muutoksiin aktiivisuudessa. Yleisesti ottaen aktiivisuuden väheneminen johtaa synaptisen voimakkuuden lisääntymiseen koko solun alueella (”skaalautuminen ylöspäin”) ja aktiivisuuden lisääntyminen johtaa synaptisen voimakkuuden vähenemiseen (”skaalautuminen alaspäin”) . Hippokampuksen viipaleviljelmissä on kuvattu kahdenlaista skaalautumista: toinen vaatii transkriptiota ja toinen paikallista translaatiota . Mielenkiintoista on, että vain translaatiosta riippuvainen synaptisen skaalautumisen muoto on puutteellinen neuroneissa, joista puuttuu FMRP. FMRP:n postsynaptinen virus-ekspressio korjaa puutteellisen translaatiosta riippuvan skaalautumisen Fmr1 KO -neuroneissa . On myös havaittu, että synapsien skaalautuminen vasteena korkealle aktiivisuustasolle (eston pitkäaikaisen eston jälkeen) edellyttää mGluR5-aktivaatiota. FMRP:n ja paikallisen proteiinisynteesin roolia alaspäin skaalautumisessa ei kuitenkaan ole tutkittu suoraan.

Kun FMRP:n rooli on parhaiten luonnehdittu mGluR-riippuvaisissa plastisuuden muodoissa, se ei ole spesifinen näille reseptoreille. FMRP:n poistaminen sulkee TrkB-välitteisen proteiinisynteesin lisääntymisen ja muuttaa muita G-proteiinikytkentäisen reseptorin (GPCR) riippuvaisen LTD:n ja LTP:n muotoja . Yhteistä näille prosesseille on niiden riippuvuus paikallisesta dendriittisestä translaatiosta. Todisteet viittaavat todellakin siihen, että FMRP voi erityisesti olla tärkeä paikallisen eikä somaattisen translaation säätelyssä (kuva 1C), koska FMRP:n poistaminen vaikuttaa translaatioon mutta ei transkriptiosta riippuvaisiin Hebbin ja homeostaattisen plastisuuden muotoihin.

FMRP ja translaatiosta riippumaton plastisuus

Ja vaikka monet translaatiosta riippuvaisen synaptisen plastisuuden muodot ovat epänormaaleja Fmr1 KO -hiirissä, muut hippokampuksen plastisuuden muodot, mukaan lukien NMDAR-riippuvainen LTD ja varhaisen vaiheen LTP, ovat normaaleja . Nämä havainnot viittaavat siihen, että FMRP säätelee plastisuutta pääasiassa translaation säätelijänä. FMRP:n poistamisen on kuitenkin osoitettu vaikuttavan myös joihinkin synaptisen plastisuuden muotoihin, jotka eivät vaadi de novo -translaatiota, kuten varhaisvaiheen LTP:hen muilla aivoalueilla, kuten aivokuoressa ja amygdalassa . Osa näistä vaikutuksista voitaisiin selittää FMRP:n moduloimalla proteiinisynteesistä riippuvaisia plastisuuskynnyksiä; näyttää kuitenkin todennäköiseltä, että monet niistä edustavat Fmr1 KO:n muuttuneen synaptisen kehityksen loppuvaiheen seurauksia.

Tapaus on esimerkiksi muuttunut LTP amygdalassa. Samoissa synapseissa, jotka osoittivat heikentynyttä LTP:tä, raportoitiin huomattavaa vajetta perussiirrossa . Vähentynyt synaptinen kytkeytyneisyys on saattanut aiheuttaa viallisen LTP:n, ja se on saattanut syntyä seurauksena lisääntyneestä FMRP-riippuvaisesta proteiinisynteesistä amygdala-piirin kehittymisen aikana.

Kandidaattiset plastisuuden porttiproteiinit, joita FMRP säätelee

Jotta voidaan selvittää, miten FMRP säätelee synaptista plastisuutta, on tunnistettava synaptiset proteiinit, joiden translaatiota FMRP säätelee. FMRP:llä on monenlaisia kohteita – sen on osoitettu sitovan selektiivisesti noin 4 % nisäkkäiden aivojen mRNA:sta . Hiljattain tunnistettiin yli 800 FMRP:n mRNA:ta sitovaa kohdetta käyttämällä uutta korkean läpimenon ristiinsidonta-immunoprecipitaatiomääritystä (HITS-CLIP) . Näihin kohteisiin kuuluu geenejä, jotka koodaavat pre- ja postsynaptisesti ilmentyviä proteiineja: 27 % pre-synaptisten proteiinien mRNA:ista (90 geeniä) ja 23 % postsynaptisten proteiinien mRNA:ista (257 geeniä) ovat FMRP:n kohteita . Tarkemmin sanottuna HITS-CLIP-tutkimuksessa havaittiin, että 31 % NMDAR-kompleksin (58 geeniä), 62 % mGluR5-kompleksin (32 geeniä) ja 33 % AMPAR-kompleksin (3 geeniä) proteiineja koodaavista mRNA:ista on FMRP-kohteita. Nämä kolme reseptorikompleksia ovat tärkeitä synaptisen plastisuuden induktiolle ja ylläpidolle, mikä viittaa siihen, että FMRP toimii todennäköisesti laajasti translaation säätelijänä sen sijaan, että se säätelisi pelkästään yhtä tai kahta ”plastisuusproteiinia”.

Havainto, että monet FMRP:n kohteet koodaavat presynaptisia proteiineja, on mielenkiintoinen ja valaiseva. Kypsässä hermostossa todisteet paikallisesta proteiinisynteesistä aksoneissa tai aksoniterminaaleissa ovat vielä niukat; kuitenkin aksonien varhaisen kehityksen ja synapsien muodostumisen aikana paikallisella proteiinisynteesillä uskotaan olevan tärkeä rooli polkujen ja kohteiden valinnassa . Näin ollen FMRP:n proteiinisynteesin säätelyn puuttuminen varhaiskehityksen aikana muuttaa hyvin todennäköisesti synaptista kytkeytyneisyyttä hyvissä ajoin ennen kokemuksesta riippuvan postnataalisen plastisuuden alkamista. Lisäksi keskushermoston ulkopuolella sensoristen afferenttien päätelaitteiden translaation paikallisella valvonnalla on merkitystä nokiseptisessä herkistymisessä ja neuropaattisessa kivussa . FMRP on lokalisoitunut näihin päätelaitteisiin, ja Fmr1 KO -hiirillä on muuttunut nokseptinen herkistyminen . Nämä tulokset viittaavat siihen, että selkäytimessä presynaptinen FMRP voi estää paikallista translaatiota ja voi säädellä kivun plastisuutta jopa aikuisuuteen asti.

Olemme käsitelleet kahta pääluokkaa plastisuuden vioista Fmr1 KO -hiirissä: (1) plastisuuden muodot, jotka edellyttävät FMRP / paikallista translaatiota niiden ylläpitämiseksi (mGluR-LTD) ja (2) plastisuuden muodot, joissa FMRP säätelee niiden induktiokynnystä (STD-LTP). Keskustelemme muutamista proteiineista molemmissa luokissa, jotka ovat todennäköisesti mukana, kun otetaan huomioon niiden säätely FMRP:llä ja niiden tunnetut roolit plastisuuden ylläpidossa ja kynnyksen asettamisessa villityypin synapseissa. Näiden ”ehdokasproteiinien” on tarkoitus toimia esimerkkeinä siitä, miten FMRP saattaa säädellä synaptista plastisuutta.

Plastisuutta ylläpitävät proteiinit: MAP1B, Arc ja STEP

Uudemmassa työssä on tunnistettu proteiineja, joiden translaatiota FMRP säätelee ja jotka osallistuvat mGluR-LTD:hen, mukaan lukien mikrotubulukseen assosioitunut proteiini 1B (MAP1B) ja aktiivisuuden säätelemä sytoskelettiin assosioitunut proteiini (Arc) . MAP1B:tä tarvitaan mGluR-riippuvaiseen AMPA-reseptorin endosytoosiin , mekanismiin, jolla mGluR-LTD ilmenee. FMRP assosioituu MAP1B mRNA:n kanssa ja tukahduttaa sen translaatiota , ja Fmr1 KO -hiirillä on lisääntynyt hippokampuksen MAP1B-ekspressio . Siinä, miten FMRP säätelee MAP1B:n translaatiota, voi kuitenkin olla hiirikanta- ja aluekohtaisia eroja. Esimerkiksi FVB-hiirten pikkuaivoissa ja hippokampuksessa FMRP voi säädellä positiivisesti MAP1B-ekspressiota .

Arc osallistuu AMPAR-endosytoosiin ja se on ylösreguloitunut dendriiteissä mGluR-aktivoinnin ja käyttäytymisen jälkeen . Arc tarvitaan hippokampuksen mGluR-LTD:hen ja L-LTP:hen, jotka molemmat ovat riippuvaisia proteiinisynteesistä, ja Arc-/- hiirillä on useita oppimisvaikeuksia . FMRP sitoo Arc-mRNA:ta ja estää sen translaation. Tämän seurauksena Arc-ekspressio lisääntyy Fmr1 KO -dendriiteissä . Koska a) mGluR-LTD lisääntyy Fmr1 KO -hiirissä, b) Arc lisääntyy Fmr1 KO -dendriiteissä ja c) Arcia tarvitaan mGluR-LTD:hen, vaikuttaa todennäköiseltä, että FMRP säätelee mGluR-LTD:tä Arcin kautta. Tämä hypoteesi testattiin suoraan käyttämällä Fmr1 / Arc kaksinkertaisia knockout-hiiriä, joilla on puutteellinen (eikä liioiteltu) mGluR-LTD . Tämä havainto viittaa siihen, että lisääntynyt Arc-ekspressio voi osittain selittää Fmr1 KO -hiirillä havaitun tehostuneen mGluR-LTD:n.

Mekanistisesti FMRP:n defosforylaatio fosfataasi PP2A:n toimesta vaaditaan Arc-proteiinin nopeaan mGluR-välitteiseen lisääntymiseen. Fmr1 KO -neuroneissa Arc-tasot ovat kuitenkin lähtökohtaisesti lisääntyneet, mikä sulkee DHPG-hoidon lisävaikutuksen. FMRP:n akuutti virusperäinen palauttaminen Fmr1 KO -neuroneihin normalisoi dendriittiset Arc-tasot ja palauttaa nopean mGluR-välitteisen Arc-synteesin. Tämä antaa lisänäyttöä siitä, että FMRP:n akuutti menetys, ei niinkään kehityspoikkeavuus, on Fmr1 knockout -hiiren synaptisen plastisuuden fenotyyppien taustalla. translaation säätely.

MAP1B:n ja Arc:n lisäksi Fmr1 KO -hiiressä on tunnistettu lukuisia muita LTD-ehdokkaita proteiineja. Yksi mielenkiintoinen esimerkki on striatumiin rikastunut proteiinityrosiinifosfataasi (STEP). STEP:n translaatio lisääntyy mGluR-LTD:n aikana, ja STEP:n mRNA sitoutuu FMRP:hen. STEP:n geneettinen vähentäminen korjaa Fmr1 KO -hiiren käyttäytymisfenotyypit; mutta ei tiedetä, vaikuttavatko vastaavat LTD-fenotyypit . Muita ehdokasproteiineja ovat APP , OPHN1 , CaMKIIα , PSD-95 ja PI3K .

Plastisuuskynnystä säätelevät proteiinit: Kv4.2

Tuore katsaus, jossa käsitellään kaliumkanavien roolia Fragile X:ssä, antaa tietoa siitä, miten FMRP voi säädellä herätettävyyttä . FMRP säätelee suoraan ainakin kolmen kaliumkanavan kääntämistä: Kv4.2, Kv3.1b ja Slack . FMRP:n kontrolloimalla Kv4.2:n translaatiota voi olla epäsuoria seurauksia LTP:n ja STD-LTP:n induktiokynnyksen säätelyssä.

Kv4.2 on A-tyypin kaliumkanava, joka säätelee dendriittistä herätettävyyttä ja toimintapotentiaalin takaisinkulkeutumisen laajuutta . A-tyypin virrat vaimentavat dendriittistä herätettävyyttä ja AP:n takaisinkulkeutumista (kuva 2B). Muokkaamalla backpropagation voimakkuutta Kv4.2:n on myös osoitettu säätelevän LTP- ja STD-LTP-kynnystä . Kv4.2:n puuttuessa dendriitit ovat kiihtyvämpiä ja LTP-induktion kynnys on alentunut .

Fmr1 KO -hiirillä on kohonnut kynnys LTP- ja STD-LTP-induktiolle, kuten aiemmin käsiteltiin (kuva 2A) . Yksi mahdollinen hypoteesi tälle ilmiölle on, että FMRP estää Kv4.2:n translaatiota, ja Fmr1 KO -hiirillä on liiallista Kv4.2-proteiinisynteesiä dendriiteissä. FMRP todellakin assosioituu suoraan Kv4.2 mRNA:n translaation kanssa ja säätelee sitä negatiivisesti . Mutta selittääkö tämä muuttuneen LTP/STD-LTP-kynnyksen Fmr1 KO -hiirissä? Kv4.2:n farmakologinen esto Fmr1 KO -hiirissä korjaa puutteellisen heikon ärsykkeen hippokampuksen LTP:n, kun taas vahvan ärsykkeen LTP pysyy ennallaan (kuva 2C). Tämä havainto viittaa siihen, että Fmr1 KO -hiiren LTP-kynnyksen nousu voi johtua kaliumkanavan Kv4.2 lisääntyneestä translaatiosta.

Mielenkiintoista on, että toinen ryhmä on hiljattain osoittanut, että heidän olosuhteissaan FMRP säätelee positiivisesti Kv4.2: n translaatiota . Tässä tutkimuksessa ei käsitelty Fmr1 KO:n vähentyneen Kv4.2:n mahdollisia seurauksia synaptiseen plastisuuteen. Odotettavissa olisi lisääntynyt dendriittinen herätettävyys, joka on aiemmin raportoitu muissa yhteyksissä , ja alentunut LTP-kynnys. On tärkeää määrittää tarkat kokeelliset ja in vivo -olosuhteet, joissa kukin näistä vastakkaisista säätelymalleista voi esiintyä, mutta on selvää, että FMRP:n Kv4.2:n säätelyllä jompaankumpaan suuntaan olisi merkittäviä seurauksia plastisuuteen.

FMRP, synaptinen plastisuus ja oppiminen

Pitkäkestoista synaptista potentiaatiota ja masennusta on jo pitkään pidetty oppimisen ja muistin mahdollisina neuraalisina korrelaatteina. Yhdessä FMRP:n roolin kanssa synaptisessa plastisuudessa useilla aivoalueilla FMRP on myös tärkeä monenlaisten käyttäytymiseen liittyvien oppimistehtävien kannalta hiirillä. Fmr1 KO -hiirillä on puutteellinen amygdalaarinen jälkipelkomuisti , pikkuaivojen oppiminen , estävä välttämisoppiminen , ja niillä on vaikeuksia prefrontaalisessa kognitiivisessa oppimistehtävässä . Myös Drosophila-mutaatioilla, joilta puuttuu FMRP, on heikentynyt pitkäkestoinen muisti. Kaiken kaikkiaan Fmr1 KO -hiiren oppimis- ja muistihäiriöt ovat todennäköisesti epänormaalin synaptisen plastisuuden käyttäytymisperäinen seuraus.