Maturation of ribbon synapses in hair cells is driven by thyroid hormone

Maturation of ribbon synapses in hair cells is driven by thyroid hormone

Thyroid-Hormon Abhängigkeit des Reifprozesses von Bändersynapsen in Haarzellen

Gaston Carlos Sendin

Doctoral thesis

Date of Examination: 2007-04-24

Date of issue: 2007-06-07

Advisor: Moser, Tobias Dr.

Referee: Schild, Detlev Prof. Dr.

Referee: Sørensen, Jakob Dr.

Referee: Hörner, Michael Prof. Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B36B-F

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Description: Dissertation

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Abstract

English

Ribbon synapses of inner hair cells (IHCs) undergo developmental maturation until after the onset of hearing. Here, we studied whether IHC synaptogenesis is regulated by thyroid hormone (TH). We performed perforated patch-clamp recordings of Ca2+ currents and exocytic membrane capacitance changes in IHCs of athyroid and TH-substituted Pax8-/- mice during postnatal development. Ca2+ currents remained elevated in athyroid IHCs at the end of the second postnatal week, when it had developmentally declined in wild-type and TH-rescued mutant IHCs. The efficiency of Ca2+ influx in triggering exocytosis of the readily releasable vesicle pool was reduced in athyroid IHCs. Ribbon synapses were formed despite the TH-deficiency. However, different from wt, where synapse elimination takes place around the onset of hearing, the number of ribbon synapses remained elevated in 2-week-old athyroid IHCs. Moreover, the ultrastructure of these synapses appeared immature. Using quantitative RT-PC! R we found a TH-dependent developmental upregulation of the mRNAs for the neuronal SNARE proteins SNAP25 and synaptobrevin 1 in the organ of Corti. These molecular changes probably contribute to the improvement of exocytosis efficiency in mature IHCs. IHCs of 2-week-old athyroid Pax8-/- mice maintained the normally temporary efferent innervation. Moreover, they lacked large conductance Ca2+ activated K+ channels and KCNQ4 channels. This together with the persistently increased Ca2+ influx permitted continued action potential generation. We conclude that TH regulates IHC differentiation and is essential for morphological and functional maturation of their ribbon synapses.

Keywords: Cellular Physiology; Exocytosis; Hair cell; Capacitance Measurements; Thyroid Hormone

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In dieser Arbeit untersuchten wir die Organisation, molekulare Zusammensetzung und Funktion von Bändersynapsen innerer Haarzellen (IHC) in einem hypo-thyroiden Mausmodell (Pax-8-/-). In Messungen exozytotischer Kapazitätsveränderungen in IHCs hypo-thyroider Tiere fanden wir eine ineffiziente Kopplung zwischen Ca2+ Strom und Exozytose. Quantifizierung der Anzahl der Bändersynapsen durch Immunhistochemie und Konfokalmikroskopie offenbarte eine höhere Zahl an Synapsen in Pax-8-/--Tieren im Vergleich zu Wildtyp- Tieren. Beide Eigenschaften weisen auf einen Verbleib hypo-thyroider IHCs in einem Entwicklungsstadium funktioneller und morphologischer Unreife hin. Durch Thyroxin-Ersatztherapie kann in diesen Zellen eine normale Entwicklung induziert werden. Ebenso fanden wir in hypo-thyroiden Tieren weitere Anzeichen für eine unvollständige Entwicklung innerer Haarzellen, wie fehlende Expression von BK-Typ K+ Kanälen, sowie verlängerte Präsenz der efferenten Innervation und der Aktionspotential-Generierung. Auf der molekularen Ebene erforschten wir in hypo-thyroiden Mäusen die Expression von zwei präsynaptischen Proteinen (SNAP 25 und Synaptobrevin 1) und stellten Abnahmen der jeweiligen mRNA Konzentrationen fest. Zusätzlich präsentiert unsere Studie ein Mausmodell zum Studium der auditorischen Funktion bei Menschen mit durch Thyroxin-Mangel hervorgerufener Taubheit. Wir schließen daraus, dass Thyroxin ein wichtiges Signal für die korrekte Entwicklung der inneren Haarzellen darstellt.

Schlagwörter: Zellphysiologie; Exozytose; Haarzelle; Kapazitätsmessungen; Thyroid-Hormon