The development of glutamatergic transmission in the brain occurs gradually during the first postnatal weeks. During this critical period, nascent synaptic connections are finely tuned to form networks reliably transmitting and processing information. In the hippocampus, kainate receptors (KARs) are heavily expressed during early development and suggested to have an instrumental role in the activity-dependent development of neuronal connectivity. KARs are composed of various combinations of five subunits, GluK1-GluK5. Additional structural and functional diversity of receptors is achieved by alternative splicing and RNA editing of the subunits. The function of KARs differs from the other types of ionotropic glutamate receptors (iGluRs) in two essential respects: first, their primary role is not to mediate but to modulate transmission, and second, KARs use a non-canonical metabotropic signaling mechanism in addition to the classical ionotropic action. The diverse functional roles of KARs are reflected in their highly polarized subcellular localization, which is regulated in a subunit- and cell-specific manner.
Despite the increasing number of roles characterized for KARs, their function during development is poorly understood. The aim of this study was to clarify the physiological roles of KARs in the developing glutamatergic connectivity in area CA1 of the rat hippocampus. First, we present a novel, developmentally restricted type of endogenous KAR activity, which has major influence on glutamatergic transmission in the immature hippocampus. During early development, high affinity G-protein-coupled presynaptic KARs are shown to be tonically activated by ambient glutamate to maintain a low probability of glutamate release in a subpopulation of CA3-CA1 synapses. This KAR-mediated presynaptic silencing has a critical impact on the transmission of glutamatergic information; KARs filter out sporadic low-frequency activity and promote transmission during highfrequency bursts representing natural-type of activiy within the immature hippocampal network.
Next, we demonstrate that the GluK1c splice variant plays a pivotal role in immature-type KAR activity. The developmental and cell-type specific expression pattern of GluK1c mRNA corresponds to the tonic KAR activity. Furthermore, the presynaptic expression of GluK1c is shown to directly suppress glutamatergic transmission in cell-pairs in vitro and to mimic tonic KAR activity at CA3-CA1 synapses in vivo at a developmental stage when the immature-type KAR activity is already downregulated. Thus, the developmental downregulation of tonic KAR activation can be fully explained by the loss the GluK1c expression in CA3 pyramidal cells. We further show that activity-dependent mechanisms, such as the experimental induction of LTP, can rapidly downregulate tonic KAR activity and switch immature, labile synapses to mature ones. This involves a modification of the receptor per se, leading to the loss of high-affinity KARs.
Finally, we show the critical involvement of tonic KAR activity in the formation /stabilization of glutamatergic connections in the hippocampal slice cultures. Mimicking tonic KAR activity by pharmacological activation of GluK1 containing KARs resulted in significant and permanent increase in the number of functional glutamatergic synapses. The essential role of endogenous KAR activity was indicated by the finding that blocking KARs during the period of intense synaptogenesis led to dramatic decrease in glutamatergic connectivity later in development.
In summary, the novel findings of this work demonstrate that endogenous KAR activity has crucial role in modulating the glutamatergic transmission and connectivity in the developing hippocampus. This not only broadens our view of the activity-dependent mechanisms underlying the development of synaptic connectivity in the brain, but also provides a basis for understanding the pathophysiological functions of KARs in neurodevelopmental disorders.Kemialliset synapsit välittävät valtaosan aivojemme hermosolujen välisestä viestinnästä ja muodostavat molekulaarisen perustan korkeammille kognitiivisille toiminnoille kuten muistille ja oppimiselle. Glutamaattivälitteiset synapsit, jotka vastaavat pääasiallisesti aivojen eksitoivasta viestinnästä, kehittyvät asteittain ensimmäisten elinviikkojen aikana. Tämän kriittisen ajanjakson aikana ionotrooppisiin glutamaattireseptoreihin kuuluvat kainaattireseptorit (KAR) ilmentyvät hippokampuksessa voimakkaasti, ja niiden ajatellaan olevan tärkeitä hermosoluyhteyksien aktiivisuusriippuvaisessa kehityksessä. Kainaattireseptorien rakenteellinen vaihtelevuus on suurta riippuen siitä, miten viisi eri alayksikköä (GluK1-GluK5) yhdistyvät tetrameeriseksi reseptoriksi, sekä yksittäisten alayksiköiden lähetti-RNAn muokkauksesta (silmikointi ja editointi). Kainaattireseptorit muokkaavat ja säätelevät hermosolujen viestinvälitystä monin tavoin, mikä heijastuu reseptoreiden tarkasti säädeltyyn ja vaihtelevaan sijaintiin erilaisissa hermosoluissa.
Vaikka tieto kainaattireseptoreiden monipuolisista tehtävistä synaptisen viestinvälityksen säätelyssä on viime aikoina lisääntynyt, niiden toimintaa hermoston kehityksen aikana ymmärretään huonosti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kainaattireseptoreiden merkitystä glutamaattivälitteisen viestinnän kehityksessä rotan hippokampuksen CA1 alueella. Selvitimme kainaattireseptoreiden fysiologisia aktivaatiomekanismeja kehittyvissä CA3-CA1 synapseissa, niiden molekulaarista taustaa sekä vaikutuksia glutamaattivälitteisten synaptisten yhteyksien muodostumiseen.
Esittelemme työssä täysin uudenlaisen, varhaiskehitykseen rajoittuvan mekanismin, jolla kainaattireseptorit estävät toonisesti glutamaatin vapautumista presynaptisista päätteistä. Tällä tavoin kainaattireseptorit osallistuvat varhaiskehitykselle tyypilliseen synapsien hiljentämiseen, jonka ajatellaan olevan merkittävä tekijä synaptisten yhteyksien hienosäädössä. Osoitamme, että toonisen KAR-aktivaation taustalla on korkea-affiininen reseptoripopulaatio, joka säätelee glutamaatin vapautumista G-proteiinivälitteisellä mekanismilla. Näytämme, että KAR-alayksikkö GluK1c estää glutamaatin vapautumista presynaptisesta päätteestä ja että sen ilmentyminen hippokampuksen pyramidisoluissa vastaa ajanjaksoa, jolloin reseptorit ovat toonisesti aktiivisia. Näiden tulosten valossa esitämme, että GluK1c alayksikkö toimii olennaisessa osassa toonisesti aktiivisessa kainaattireseptorissa ja että alayksikön ilmentymisen voimakas lasku kehityksen aikana aiheuttaa toonisen aktivaation katoamisen. Lisäksi näytämme, että aktiivisuus-riippuvaiset mekanismit, kuten pitkäaikaispotentiaation induktio, johtavat korkea-affiinisten reseptoreiden nopeaan häviämiseen ja kypsille synapseille ominaiseen luotettavaan viestinvälitykseen. Osoitamme lisäksi hippokampuksen leikeviljemissä, että GluK1 alayksikön sisältävät kainaattireseptorit säätelevät glutamaattivälitteisten synapsien määrää. Endogeenisen GluK1 aktivaation pitkäaikainen estäminen synaptogeneesin aikana johti synapsimäärän huomattavaan kasvuun, mikä heijastaa reseptoreiden ratkaisevaa merkitystä synapsien muodostumisessa/stablilisaatiossa.
Tämä väitöskirja tuo merkittävää uutta tietoa kainaattireseptoreiden merkityksestä glutamaattivälitteisten synapsien muovautumisessa kehittyvässä hippokampuksessa sekä syventää tietämystämme hermosoluyhteyksien aktiivisuusriippuvaisesta kehityksestä. Näiden mekanismien läpikotainen tietämys on perusta myös kainaattireseptoreiden patofysiologisten roolien ymmärtämiselle sekä spesifisten lääkehoitojen kehittämiselle
