Expression der CRFR-Gene in Antwort auf Stress und Lernen
Expression of CRFR genes in response to stress and learning
by Farahnaz Sananbenesi
Date of Examination:2003-05-07
Date of issue:2003-05-23
Advisor:Prof. Dr. Hans-Joachim Fritz
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Learning can be defined as a process by which organisms alter and adapt their behavior to environmental stimuli thereby forming an inner representation of their world. One of the most fundamental types of learning is associative learning that is most commonly investigated by fear conditioning of rodents. Recently our laboratory demonstrated that fear conditioning is markedly enhanced by acute stressful events. Stress-enhanced fear conditioning depends on the action of the corticotropin releasing factor (CRF) within the septo-hippocampal system. CRF mediates its biologic activity by activating two G-protein coupled receptors, CRF receptor (CRFR) 1 and CRFR2, however intracellular signaling pathways coupled to CRF receptors were mainly unknown. This work demonstrates that hippocampal mitogen-activated kinase (MAPK) pathway consisting of extracellularly regulated kinase-1/2 (Erk-1/2), Elk-1 and ribosomal S kinase-1 (p90Rsk-1) is activated by fear conditioning. Up-regulation of phosphorylated Erk-1/2 and Elk-1 is observed in the CA3 hippocampal subfield and the dentate gyrus 30 min after fear-conditioning but not in control experiments. Surprisingly, phosphorylated Erk-1/2 and Elk-1 associate and co-localized predominantly in mossy fibers. In vitro kinase assays show that hippocampal Erk-1/2 phosphorylates Elk-1. Notably, Elk-1 in turn enhances the phosphorylation of Erk-1/2 and its downstream target p90Rsk-1. Increased phosphorylation and nuclear translocation of p90Rsk-1 is detected in the CA3 hippocampal area in vivo during contextual fear conditioning, indicating that the novel cytoplasmatic interaction of Erk-1/2 and Elk-1 regulate p90Rsk-1 phosphorylation and localization during fear conditioning. By analyzing CRFR2 deficient mice and employing pharmacological inhibition of CRFR2 activity we show that septal CRFR2 tonically impairs fear conditioning in two mouse strains possibly by down-regulating the phosphorylation of hippocampal Erk-1/2, Elk-1 and p90Rsk-1. By using semiquantitative PCR and in situ hybridization we observe a transient increase of hippocampal CRFR1 and CRFR2 mRNA in response to acute stress. So far, long-lasting enhancement of hippocampal excitability have been ascribed to CRFR1 exclusively. However, in this work we demonstrate that hippocampal CRFR2 mediates stress-enhanced memory consolidation by mitogen-activated extracellularly-regulated kinase kinase (Mek-1/2) dependent improved activation of Erk-1/2 and p90Rsk-1. We find that neither CRFR2 nor Mek-1/2 is involved in MAPK signaling or context-dependent fear conditioning of non-stressed mice. Activation of the MAPK pathway in the absence of stress rather depends on cAMP regulated kinases (PKA) activity that is essential for fear conditioning. In summary, by combining behavior and molecular techniques this work shows that the hippocampal MAPK pathway is important for the consolidation of fear memories and describes a novel cytoplasmatic interaction of Erk-1/2 and Elk-1. We furthermore demonstrate a novel physiologic role for hippocampal CRFR2 by showing that CRFR2 mediated activation of Mek-1/2 specifically regulates stress-enhanced memory consolidation. On the basis of these findings hippocampal CRFR2 can be considered as a selective modulator of memories linked to acute stressful events.
Keywords: Learning; Memory; Stress; Hippocampus; CRF; Fear conditioning; MAP kinase
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Lernen ist ein Prozess durch den ein Organismus sein Verhalten in Antwort auf spezifische Umweltreize ändert und anpassen kann. Eine wichtige Form des Lernen ist assoziatives Lernen, dass hauptsächlich durch Furchtkonditionierung von Mäusen untersucht wird. Unser Labor konnte kürzlich zeigen, dass akuter Stress die Furchtkonditionierung von Mäusen deutlich verbessert, was maßgeblich durch den corticotropin releasing Faktor (CRF) innerhalb des septo-hippokampalen System reguliert wurde. CRF vermittelt seine biologische Aktivität durch Bindung an zwei G-Protein gekoppelte Membranrezeptoren, CRF Rezeptor (CRFR) 1 und CRFR2. Über die an CRFR gekoppelten intrazellulären Signalwege war bisher nur wenig bekannt. Diese Arbeit zeigt, dass der hippokampale MAPK (Mitogen aktivierte Proteinkinase) Signalweg (Erk-1/2, Elk-1, pp90Rsk-1) durch assoziatives Lernen aktiviert wird. In der hippokampalen CA3 Region und im Gyrus dentatus wird eine Aufregulation des pErk-1/2 und pElk-1 Gehalt 30 min nach Furchtkonditionierung aber nicht in entsprechenden Kontrollgruppen beobachtet. pErk-1/2 und pElk-1 sind in den hippokampalen Moosfaser assoziiert und in vitro phosphoryliert pErk-1/2 Elk-1. Umgekehrt erhöht Elk-1 den Gehalt von pErk-1/2 und dessen Substrat p90Rsk-1. In vivo induziert Furchtkonidtionierung in der hippokampalen CA3 Region eine verstärkte Phosphoryierung von p90Rsk-1 und dessen Transport in der Zellkern. Unter Verwendung von Mäusen mit nicht-funktionellem CRFR2 Gen und durch pharmakologische Inhibierung von CRFR2 Aktivität konnte gezeigt werden, dass septaler CRFR2 die Furchtkonditionierung tonisch inhibiert. Dieser Effekt wird dadurch erklärt, dass Aktivierung von septalem CRFR2 inhibierend auf die Phosphorylierung von hippokampalem Erk-1/2, Elk-1 und p90Rsk-1 einwirkt. Mittels semiquantitativer PCR und in situ Hybridisierung wurde eine kurzzeitige Aufregulation hippokampaler CRFR1 und CRFR2 mRNA in Abhängigkeit von Stress beobachtet. Die CRF vermittelte Modulation kognitiver Eigenschaften durch den Hippkampus wurde bisher ausschließlich mit der Aktivierung von CRFR1 in Verbindung gebracht. In dieser Arbeit zeigen wir allerdings, dass hippokampaler CRFR2 die stress-vermittelte Verbesserung von assoziativem Lernen vermittelt. Hippokampaler CRFR2 aktiviert dabei spezifisch Mitogen-aktivierte Kinase Kinase-1/2 (Mek-1/2), was zu einer verstärkten Phosphorylierung von Erk-1/2 und p90Rsk-1 führt. Interessanterweise ist weder CRFR2, noch Mek-1/2 ist an der Aktivierung des MAPK Signalweg und Furchtkonditionierung in Abwesenheit von Stress beteiligt. Statt dessen zeigt diese Arbeit, dass cAMP regulierte Proteinkinase (PKA) in Abwesenheit von Stress wichtig für die Aktivierung des MAPK Signalwegs und Furchtkonditionierung ist. Zusammenfassend ist zu sagen, dass durch die Kombination von verhaltens- und molekularbiologischen Experimenten gezeigt wird, dass der hippokampale MAPK Signalweg wichtig für die Ausbildung aversiver Erinnerungen ist wobei eine neue Interaktion von Erk-1/2 und Elk-1 beschrieben wird. Außerdem zeigt diese Arbeit eine neue physiologische Funktion des CRFR2, wobei hippokampaler CRFR2 spezifisch stress-verbessertes Lernen durch die Regulation des MAPK Signalwegs via Mek-1/2 vermittelt. Hippokampaler CRFR2 kann daher als ein selektiver Regulator von stress-modulierten aversiven Erinnerungen angesehen werden.
Schlagwörter: Lernen; Gedächtnis; Stress; Hippokampus; CRF; Furchtkonditionierung; MAP Kinase