Impaired synaptic plasticity in a rat model of tuberous sclerosis

Abstract

Tuberous sclerosis complex (TSC) is a common hereditary disorder caused by mutations in either the TSC1 or TSC2 genes, and characterized by severe epilepsy, cerebral hamartomas and mental retardation. We have used rats that are heterozygous for an autosomal-dominant germline mutation in the TSC2 gene (TSC2^+/- rats) to examine the consequences of TSC2 mutations for hippocampal synaptic plasticity. While basal synaptic transmission in the Schaffer collateral–CA1 synapse was not altered, pairedpulse plasticity was significantly enhanced in TSC2^+/- rats (interpulse intervals 20–200 ms). Moreover, TSC2^+/- rats exhibited a marked reduction of different forms of synaptic plasticity. Long-term potentiation (LTP) elicited following high-frequency tetanization of Schaffer collaterals was significantly decreased from 1.45 ± 0.05-fold potentiation to 1.15 ± 0.04 (measured after 60 min). This difference in LTP levels between TSC2^+/- and wild-type rats also persisted in the presence of the c-aminobutyric acid (GABA)A receptor antagonist bicuculline. In addition to changed LTP, the level of long-term depression (LTD) elicited by different forms of lowfrequency stimulation was significantly less in TSC2^+/- rats. These results suggest that TSC2 mutations may cause hippocampal synapses to lose much of their potential for activity-dependent synaptic modification. An understanding of the underlying molecular pathways may suggest new therapeutic approaches aimed at inhibiting the development of the profound mental retardation in TSC.

<strong>Beeinträchtigung synaptischer Plastizität in einem Ratten – Modell der tuberösen Sklerose</strong><br /> Die tuberöse Sklerose (Synonym: Bourneville – Pringle - Syndrom) ist ein zur Krankheitsgruppe der Phakomatosen gehörendes, autosomal-dominant erbliches Fehlbildungssyndrom mit einer statistischen Häufigkeit von etwa 1:8000 - 1: 10.000 Neugeborenen. Klinisch zeigt sich ein multisystemisches Krankheitsbild mit Dysfunktionen verschiedener, dysplastisch veränderter Organe, wie zum Beispiel Herz, Niere und Zentralnervensystem. In Bezug auf die Funktionen des Zentralnervensystems kommt es im Verlauf der Erkrankung zu geistiger Retardierung, Verhaltensstörungen und Epilepsie.<br /> Die tuberöse Sklerose wird durch genetische „loss of function – Mutationen“ verursacht, welche die beiden Tumor – Suppressorgene, TSC1 (Genlocus: 9q34) und TSC2 (Genlocus: 16p13), in ihrer Funktion einschränken. Die TSC Gene kodieren für zwei miteinander interagierende Proteine, Hamartin und Tuberin. Die veränderte Funktion dieser beiden Proteine hat eine veränderte Aktivierung zweier intrazellulärer Transduktionskaskaden, (mTor- ; p44/42 MAPK - Kaskade) zur Folge. Diese beiden Kaskaden sind in charakteristischer Weise an den Mechanismen neuronaler Plastizität beteiligt. Neuronale Plastizität, also aktivitätsabhängige Modulation neuronaler Effizienz, ist ein Schlüsselmechanismus der Informationskodierung und -speicherung. So bildet neuronale Plastizität die Grundlage für kognitive Funktionen, wie beispielsweise Lernen und Gedächtnis.<br /> Zusammen betrachtet legt die Betrachtung dieser physiologischen Zusammenhänge die These nahe, dass in Lebewesen, in denen Mutationen der TSC-Gene beobachtet werden, plastische Eigenschaften neuronaler Transmission verändert sind.<br /> Diese experimentelle Theorie wurde in der vorliegenden Arbeit in einem Tiermodell (Eker Ratte) der tuberösen Sklerose untersucht. Die Eker Ratte trägt eine spontane, autosomaldominante, heterozygote Keimzell-Mutation des TSC2 (TSC2^+/-) Gens und zeigt dadurch eine gestörte Funktion des Tuberins. In der dieser Arbeit wurden männliche TSC2^+/- Ratten benutzt, um zu untersuchen, ob und wie Mutationen im Tuberin Gen, synaptische Plastizität im Hippocampus beeinflussen.<br /> Nach der Züchtung wurden die Tiere genotypisiert und im Alter von 20 bis 40 Tagen den elektrophysiologischen Experimenten zugeführt. Die Versuchstiere wurden anästhesiert, das Gehirn wurde freigelegt und die Hippocampusregion wurde präpariert. Für die Untersuchung der synaptischen Phänomene der neuronalen Kurzzeit- und Langzeitplastizität wurden exzitatorische postsynaptische Summenpotentiale (fEPSPs) der hippocampalen Schaffer Kollateral-CA1 Synapse durch bestimmte Paradigmen induziert und abgeleitet. Solche Paradigmen stellen etablierte Protokolle der Untersuchung neuronaler Phänomene dar. In allen Experimenten der hier vorliegenden Arbeit wurde der Genotyp der Tiere erst im Nachhinein entschlüsselt. Die Resultate der Experimente wurden für TSC2^+/- und Wild-Typ Versuchstiere miteinander verglichen.<br /> Stimulation generiert werden, gelten als Maßstab für basale synaptische Transmission. Es zeigte sich kein Unterschied in den beiden experimentellen Gruppen. Im Anschluss wurde die synaptische Kurzzeitplastizität untersucht. Die Fazilitierung zweier unmittelbar aufeinander folgender Stimuli (Paar-Puls-Fazilitierung, PPF) wurden miteinander verglichen. TSC2^+/- Ratten zeigten eine signifikant höhere PPF als die Wild-Typ Ratten. Auch nach Blockade der GABAergen Inhibition änderte sich dieser Sachverhalt nicht.<br /> Zudem wurde die hippocampale Langzeitpotenzierung (LTP) mittels eines für diese Synapse spezifischen Induktionsprotokolls (theta - burst stimulation) induziert. TSC2^+/- Ratten zeigen deutlich reduzierte Amplituden von LTP. Auch nach Blockade GABAerger Inhibition fand sich dieser Unterschied.<br /> Die elektrophysiologischen Untersuchungen der hippocampalen synaptischen Kurz- und Langzeitplastizität zeigen, dass, bei grundlegend unveränderter, basaler synaptischer Transmission sowohl die Kurzzeitplastizität, als auch LTP und LTD als Formen von synaptischer Langzeitplastizität in den TSC2^+/- Versuchstieren substantiell reduziert ist. Die Resultate belegen einen gravierenden Verlust der Fähigkeit von TSC2^+/- Versuchstieren, aktivitäts- abhängige synaptische Modifikation auszubilden.<br /> Mögliche zugrundeliegende Mechanismen sind vielfältig, mit Hilfe der verwendeten Methoden aber nicht genau zu klären. Eine veränderte Aktivierung der durch Tuberin modulierten Transduktionskaskaden in Form einer Überaktivierung der Kaskade, könnte einen solchen Verlust an synaptischem Plastizitätspotential erklären. In manchen Krankheitsmodellen sind LTP Defizite auf veränderte GABAerge Inhibition zurückzuführen. In der vorliegenden Arbeit wurde dieser potentielle Mechanismus durch die Integration von Experimenten unter Blockade GABAerger Inhibition und deren Resultate ausgeschlossen. Ein Hauptmechanismus der Informationsspeicherung des ZNS ist somit in den TSC2^+/- Versuchstieren nicht funktionstüchtig. Schon lange Zeit wurde postuliert und bereits für viele andere neurologische Krankheiten, wie zum Beispiel Epilepsie oder Morbus Alzheimer gezeigt, dass die Einschränkung kognitiver Funktionen oder Gedächtnisverluste auf veränderte, fehlerhafte oder gar nicht funktionierende Mechanismen der synaptischen Plastizität zurückzuführen sind.