Chemical LTD, but not LTP, induces transient accumulation of gelsolin in dendritic spines

Synaptic plasticity underlies central brain functions, such as learning. Ca2+ signaling is involved in both strengthening and weakening of synapses, but it is still unclear how one signal molecule can induce two opposite outcomes. By identifying molecules, which can distinguish between signaling leading to weakening or strengthening, we can improve our understanding of how synaptic plasticity is regulated. Here, we tested gelsolin's response to the induction of chemical long-term potentiation (cLTP) or long-term depression (cLTD) in cultured rat hippocampal neurons. We show that gelsolin relocates from the dendritic shaft to dendritic spines upon cLTD induction while it did not show any relocalization upon cLTP induction. Dendritic spines are small actin-rich protrusions on dendrites, where LTD/LTP-responsive excitatory synapses are located. We propose that the LTD-induced modest - but relatively long-lasting - elevation of Ca2+ concentration increases the affinity of gelsolin to F-actin. As F-actin is enriched in dendritic spines, it is probable that increased affinity to F-actin induces the relocalization of gelsolin.Peer reviewe

Actin regulation in dendritic spines : from synaptic plasticity to animal behavior and human neurodevelopmental disorders

This thesis explores the role of several actin-binding proteins in the regulation of brain physiology with a focus on dendritic spines. Dendritic spines are considered the plausible physical substrate for learning and memory, as their morphology allows for modulating incoming signals. Disruptions in spine density and morphology are also often associated with neuropsychiatric disorders. The two cellular processes representing neuronal learning are long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). Here, I show that the actin-severing protein gelsolin transiently relocates to dendritic spines upon LTD induction, but not LTP induction or spontaneous neuronal activity. It is plausible that the modest – but relatively long-lasting – LTD-induced elevation of Ca2+ concentration increases the affinity of gelsolin to F-actin, thus inducing the relocalization of gelsolin to dendritic spines. Proper spine regulation is crucial for learning in live animals. MIM is an I-BAR containing membrane curving protein, shown to be involved in dendritic spine initiation and dendritic branching in Purkinje cells in the cerebellum. Behavioral analysis of MIM knock-out (KO) mice revealed defects in both learning and reverse-learning, alterations in anxiety levels and reduced dominant behavior, and confirmed the previously described deficiency in motor coordination and pre-pulse inhibition. Anatomically, we observed a decreased density of thin dendritic protrusions, enlarged brain ventricles and decreased cortical volume. Genetic studies have pointed out that genes often disturbed in neuropsychiatric disorders encode synaptic actin regulators. We selected five genes encoding different actin-regulating proteins and induced ASD-associated de novo missense mutations in these proteins. These mutations induced changes in the localization of α-actinin-4, which localized less to dendritic spines, and for SWAP-70 and SrGAP3, which localized more to dendritic spines. Among the wild-type proteins studied, only α-actinin-4 expression caused a significant change in dendritic spine morphology by increasing mushroom spine density and decreasing thin spine density. We hypothesized that mutations associated with ASD shift dendritic spine morphology from mushroom to thin spines. An M554V mutation in α-actinin-4 (ACTN4) resulted in the expected shift in dendritic spine morphology by increasing the density of thin spines. In addition, we observed a trend toward higher thin spine density with mutations in myosin IXb and SWAP-70. Myosin IIb and myosin IXb expression increased the proportion of inhibitory synapses in spines. The expression of mutated myosin IIb (Y265C), SrGAP3 (E469K), and SWAP-70 (L544F) induced variable changes in inhibitory synapses.Dendriittien okaset ovat pieniä nystyjä hermosolujen dendriittien (haarakkeiden) pinnalla. Okasissa sijaitsevat synapsit, eli hermosolujen liitokset, vastaanottavat signaaleja muista hermosoluista ja ovat näin hermosolujen toiminnan ytimessä. Okasten lisäyksen ja poiston on huomattu olevan yhteydessä oppimiseen. Useissa sairauksissa on myös havaittu, että okasten tiheys tai muoto ei ole normaali. Ymmärtääksemme syyt patologisten okasmuutosten taustalla, meidän pitää ensin ymmärtää miten okasten tiheyttä ja muotoa säädellään normaalisti. Väitöskirjatyössäni keskityin tutkimaan miten aktiinitukirankaa säätelevät proteiinit muokkaavat okasia. Aktiinitukiranka on solujen luusto ja lihakset, aktiinimolekyylit muodostavat erilaisia dynaamisia rakenteita, jotka sekä ylläpitävät solun olemassa olevaa muotoa että muuttavat sitä. Okasten muoto muuttuu solun aktivoinnin seurauksena. Jos hermosolua aktivoidaan nopealla taajuudella, okaset kasvavat ja muuttuvat pysyviksi. Jos taas matalalla taajuudella, okaset pienenevät ja saattavat jopa surkastua pois. Väitöskirjatyössäni tutkin ensin gelsoliini nimisen proteiinin käyttäytymistä erilaisissa hermosoluaktivoinneissa. Huomasin että gelsoliini siirtyy okasiin vain silloin kun hermosolua aktivoidaan matalalla taajuudella. Tämä tulos auttaa meitä ymmärtämään miten hermosolu voi vastata eri taajuuksilla tapahtuviin aktivointeihin eri tavoin. Tutkin myös, miten okasten muodostumisessa tärkeäksi havaitun MIM proteiinin poisto vaikuttaa hiirien oppimiseen. Tämä työ auttaa meitä ymmärtämään miten solutason muutokset vaikuttavat eläimen käyttäytymiseen. Tässä osatyössä havaitsimme myös, että MIM proteiinin poisto johti hiirillä suurentuneisiin aivokammioihin. Lopuksi selvitin miten autismikirjon häiriöön liitetyt mutaatiot aktiinitukirankaa säätelevissä proteiineissa vaikuttavat hermosolujen okasiin, sekä synapseihin, jotka hillitsevät hermosolun aktivoitumista. Tämä työ osoitti, että yhden aminohapon (proteiinin rakennuspalikka) muutos voi vaikuttaa yksittäisen proteiinin toimintaan niin paljon, että hermosolun muoto ja toiminta muuttuvat. Useat tutkituista mutaatioista muuttivat okasten muotoa ohuempaan suuntaan. Jos löydämme solumuutoksia, jotka toistuvat eri autismikirjohäiriön mutaatioille, pääsemme lähemmäksi ymmärrystä siitä, onko autismikirjon häiriön taustalla yhteistä, yksittäistä, biologista syytä

Low-Density Lipoprotein Internalization, Degradation and Receptor Recycling Along Membrane Contact Sites

Low-density lipoprotein (LDL) internalization, degradation, and receptor recycling is a fundamental process underlying hypercholesterolemia, a high blood cholesterol concentration, affecting more than 40% of the western population. Membrane contact sites influence endosomal dynamics, plasma membrane lipid composition, and cellular cholesterol distribution. However, if we focus on LDL-related trafficking events we mostly discuss them in an isolated fashion, without cellular context. It is our goal to change this perspective and to highlight that all steps from LDL internalization to receptor recycling are likely associated with dynamic membrane contact sites in which endosomes engage with the endoplasmic reticulum and other organelles.Peer reviewe

ASD-Associated De Novo Mutations in Five Actin Regulators Show Both Shared and Distinct Defects in Dendritic Spines and Inhibitory Synapses in Cultured Hippocampal Neurons

Many actin cytoskeleton-regulating proteins control dendritic spine morphology and density, which are cellular features often altered in autism spectrum disorder (ASD). Recent studies using animal models show that autism-related behavior can be rescued by either manipulating actin regulators or by reversing dendritic spine density or morphology. Based on these studies, the actin cytoskeleton is a potential target pathway for developing new ASD treatments. Thus, it is important to understand how different ASD-associated actin regulators contribute to the regulation of dendritic spines and how ASD-associated mutations modulate this regulation. For this study, we selected five genes encoding different actin-regulating proteins and induced ASD-associated de novo missense mutations in these proteins. We assessed the functionality of the wild-type and mutated proteins by analyzing their subcellular localization, and by analyzing the dendritic spine phenotypes induced by the expression of these proteins. As the imbalance between excitation and inhibition has been suggested to have a central role in ASD, we additionally evaluated the density, size and subcellular localization of inhibitory synapses. Common for all the proteins studied was the enrichment in dendritic spines. ASD-associated mutations induced changes in the localization of alpha-actinin-4, which localized less to dendritic spines, and for SWAP-70 and SrGAP3, which localized more to dendritic spines. Among the wild-type proteins studied, only alpha-actinin-4 expression caused a significant change in dendritic spine morphology by increasing the mushroom spine density and decreasing thin spine density. We hypothesized that mutations associated with ASD shift dendritic spine morphology from mushroom to thin spines. An M554V mutation in alpha-actinin-4 (ACTN4) resulted in the expected shift in dendritic spine morphology by increasing the density of thin spines. In addition, we observed a trend toward higher thin spine density withmutations inmyosin IXb and SWAP-70. Myosin IIb and myosin IXb expression increased the proportion of inhibitory synapses in spines. The expression of mutated myosin IIb (Y265C), SrGAP3 (E469K), and SWAP-70 (L544F) induced variable changes in inhibitory synapses.Peer reviewe

MIM-Deficient Mice Exhibit Anatomical Changes in Dendritic Spines, Cortex Volume and Brain Ventricles, and Functional Changes in Motor Coordination and Learning

In this study, we performed a comprehensive behavioral and anatomical analysis of the Missing in Metastasis (Mtss1/MIM) knockout (KO) mouse brain. We also analyzed the expression of MIM in different brain regions at different ages. MIM is an I-BAR containing membrane curving protein, shown to be involved in dendritic spine initiation and dendritic branching in Purkinje cells in the cerebellum. Behavioral analysis of MIM KO mice revealed defects in both learning and reverse-learning, alterations in anxiety levels and reduced dominant behavior, and confirmed the previously described deficiency in motor coordination and pre-pulse inhibition. Anatomically, we observed enlarged brain ventricles and decreased cortical volume. Although MIM expression was relatively low in hippocampus after early development, hippocampal pyramidal neurons exhibited reduced density of thin and stubby dendritic spines. Learning deficiencies can be connected to all detected anatomical changes. Both behavioral and anatomical findings are typical for schizophrenia mouse models.Peer reviewe

Neuropsychological Bases of Correctional and Preventive Preparation of Children with Autism to Master Writing

The article presents a neuropsychological approach to the correctional and preventive preparation of autistic children to master writing. The neuropsychological bases of correctional work with autistic children are considered: structural functional organization of the brain and symptoms of the main disorders of brain blocks, scientific ideas about functional blocks – regulation of the level of brain activity (energy block); receiving, processing and information storing block; block for programming, regulation of educational activities, including writing and its control. Scientific ideas about autism, learning difficulties and methods of writing development in children with developmental disabilities are analysed. Neuropsychological recommendations for correctional and preventive preparation of autistic children to master writing based on domestic and foreign experience have been developed. It is confirmed that implementation of correctional and preventive training of autistic children in writing should be carried out mainly individually, comprehensively and systematically, taking into account disorders in the mental development of a child and the prognosis of learning difficulties. The conceptual provisions of neuropsychology about the brain organization of higher mental functions and functional blocks of the brain, features of interfunctional systems, methods of correctional and preventive, restorative training of special children in writing and the method of “substitutive ontogenesis” are reflected.</em

Multiparametric platform for profiling lipid trafficking in human leukocytes

Summary Systematic insight into cellular dysfunction can improve understanding of disease etiology, risk assessment, and patient stratification. We present a multiparametric high-content imaging platform enabling quantification of low-density lipoprotein (LDL) uptake and lipid storage in cytoplasmic droplets of primary leukocyte subpopulations. We validate this platform with samples from 65 individuals with variable blood LDL-cholesterol (LDL-c) levels, including familial hypercholesterolemia (FH) and non-FH subjects. We integrate lipid storage data into another readout parameter, lipid mobilization, measuring the efficiency with which cells deplete lipid reservoirs. Lipid mobilization correlates positively with LDL uptake and negatively with hypercholesterolemia and age, improving differentiation of individuals with normal and elevated LDL-c. Moreover, combination of cell-based readouts with a polygenic risk score for LDL-c explains hypercholesterolemia better than the genetic risk score alone. This platform provides functional insights into cellular lipid trafficking and has broad possible applications in dissecting the cellular basis of metabolic disorders.Peer reviewe

Корекція мікроелементних порушень у новонароджених дітей та у дітей різних вікових груп

Об’єкт дослідження. Здорові доношені новонароджені; діти із затримкою внутрішньоутробного розвитку, діти, хворі на інсулінзалежний цукровий діабет, пієлонефрит, гломерулонефрит. Мета роботи: встановити роль мікроелементного дисбалансу у виникненні захворювань у новонароджених та дітей старшого віку. Задачі дослідження: дослідити особливості мікроелементного статусу здорових доношених новонароджених та дітей зі ЗВУР. Встановити роль дисбалансу мікроелементів в патогенезі низки соматичних захворювань (інсулінзалежний цукровий діабет, пієлонефрит, гломерулонефрит) у дітей різних вікових груп. Методи дослідження. Клінічні, лабораторні, атомно-абсорбційної масспектрофотометрії, статистичні. Основні наукові результати на даному етапі роботи: вивчена забезпеченість мікроелементами здорових доношених новонароджених та новонароджених зі ЗВУР, дітей, хворих на інсулінзалежний цукровий діабет, пієлонефрит, гломерулонефрит. Практичне значення одержаних результатів полягає у покращенні існуючих технологій діагностики та профілактики соматичних захворювань у новонароджених та дітей старшого віку. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/473

Шляхи оптимізації мікроелементарного та енергетичного забезпечення при захворюваннях у вагітних жінок та дітей

Об’єкт дослідження. Вагітні жінки без клінічних та лабораторних проявів залізодефіцитної анемії, вагітні із залізодефіцитною анемією, вагітні жінки із фетоплацентарною недостатністю; здорові доношені та недоношені новонароджені, недоношені з гіпоксичним ураженням ЦНС; діти із затримкою внутрішньоутробного розвитку, діти, хворі на цукровий діабет та запальні захворювання нирок. Мета роботи: встановити роль мікроелементного та енергетичного дисбалансу у виникненні захворювань у вагітних жінок і дітей різного віку. Науково обґрунтувати принципи корекції вказаних порушень. Задачі дослідження: дослідити вміст мікроелементів в біосередовищах (сироватка, еритроцити, сеча) вагітних жінок з фетоплацентарною недостатністю, анемією вагітних, роль порушень плацентарного транспорту та депонування мікроелементів у виникненні таких станів, як недоношеність та ЗВУР, особливості мікроелементного статусу новонароджених дітей зі ЗВУР та недоношених новонароджених, з гіпоксичним ураженням ЦНС, особливості мікроелементного та енергетичного забезпечення дітей з запальними захворюваннями нирок та цукровим діабетом. Методи дослідження. Клінічні, лабораторні, атомно-абсорбційної масспектрофотометрії, статистичні. Основні наукові результати: вивчена забезпеченість мікроелементами вагітних з анемією та фетоплацентарною недостатністю, новонароджених різного терміну гестації, малюків зі ЗВУР. Досліджена роль плаценти у забезпеченості мікроелементами плода та новонароджених зі ЗВУР. Проведена оцінка стану енергетичного забезпечення у здорових доношених та недоношених новонароджених, недоношених з гіпоксичним ураженням ЦНС, дітей, хворих на цукровий діабет та запальні захворювання нирок. Практичне значення одержаних результатів полягає у покращенні існуючих технологій профілактики та лікування анемій вагітних, фетоплацентарної недостатності. Розроблені схеми корекції мікроелементних та енергетичних порушень у недоношених новонароджених з гіпоксичним ураженням ЦНС, дітей з цукровим діабетом. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/2721