Role of Neuroligins at the Inhibitory Postsynaptic Compartment of the Retina
Die Funktion der Neuroligine in hemmenden Postsynapsen der Retina
by Mrinalini Hoon
Date of Examination:2010-04-26
Date of issue:2010-06-15
Advisor:Dr. Frédérique Varoqueaux
Referee:Prof. Dr. Nils Brose
Referee:Dr. Tobias Moser
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Neuroligins are postsynaptic cell adhesion proteins central to synapse maturation and function.There are four isoforms of Neuroligins (1 4) expressed in the rodent brain. Neuroligins 1 and 2 are localized at excitatory and inhibitory postsynapses, respectively. In contrast, the distribution and underlying function of the other two isoforms (Neuroligins 3 and 4) at central synapses have remained largely unresolved. Neuroligins are also expressed in humans, and interestingly, mutations in Neuroligins 3 and 4 have been found in a subset of autistic patients. The current study aims at characterizing the distribution and function of Neuroligins in the well-structured network of the mouse retina by using isoform-specific antibodies and single deletion mutant mice. The retina is well suited for both detailed anatomical analyses and functional assays, making it a robust system to study the role of Neuroligins in the formation and maintenance of a functional neural circuit and hence information processing. The role of Neuroligin 2 in synaptic transmission and network function was first investigated. Throughout the retina, Neuroligin 2 is localized preferentially to inhibitory GABAergic postsynapses and largely precluded from glycinergic or glutamatergic postsynapses. Accordingly, the lack of Neuroligin 2 results in a severe reduction of GABAA receptor clustering at the inner synaptic layer, and in further subtle alterations of the retinal circuitry. Altogether, these impairments are detrimental to the coding of visual information by retinal ganglion cells, the output neurons of the retina. Taken together, these results indicate that Neuroligin 2 is essential for the functional integrity of GABAergic signaling and as a consequence, for information processing. The next part of the study focused on the characterization of Neuroligin 4. Immunolabeling studies revealed the presence of Neuroligin 4 specifically at a subset of glycinergic postsynapses. The lack of Neuroligin 4 does not alter the retinal circuitry, yet causes a small reduction in the number of glycine receptor clusters containing the á1-subunit, known to confer fast kinetics to the receptors. As a result, glycinergic mIPSCs recorded from Neuroligin 4-deficient retinal ganglion cells exhibit slower decay kinetics. In summary, the absence of Neuroligin 4 leads to subtle deficits in the glycinergic inhibitory circuit at the inner synaptic layer of the retina. The final phase of the study was devoted to Neuroligin 3. Neuroligin 3 also localizes selectively at inhibitory postsynapses, preferentially GABAergic, of the inner plexiform layer. Consequently, a loss of Neuroligin 3 leads to a dramatic reduction of a small subpopulation of GABAA receptor clusters, which may have important consequences for the efficacy of information processing by retinal ganglion cells. In conclusion, this study yields the first characterization of three Neuroligin isoforms in the mouse retina and provides insights into their roles at the synapse and in visual information processing. Altogether, it demonstrates the importance of Neuroligins not only for the structural and functional integrity of large subsets of inhibitory synapses, but also for the maintenance of a network.
Keywords: Synapse; Retina; GABA receptor; Glycine receptor; Information processing
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Neuroligine sind postsynaptische Zelladhäsionsproteine mit zentraler Bedeutung für die Ausbildung, Reifung und Funktion von Synapsen. Im Gehirn von Nagetieren werden vier Neuroligin Isoformen exprimiert. Die Neuroligine 1 und 2 findet man auf der postsynaptischen Seite von erregenden (exzitatorischen) und auch hemmenden (inhibitorischen) Synapsen. Hingegen ist die Verteilung und Funktion der beiden anderen Isoformen, Neuroligin 3 und 4, in Synapsen des zentralen Nervensystems noch nicht abschließend geklärt. Dies wäre aber von großem Interesse, da in autistischen Patienten Mutationen in den Neuroliginen 3 und 4 gefunden wurden. Die vorliegende Studie zielte auf eine Charakterisierung der Verteilung und Funktion aller Neuroligine in der Retina. Aufgrund des sehr strukturierten, netzwerkartigen Aufbaus der Retina eignet sich dieses Organ hervorragend für anatomische und funktionelle Analysen. In der Tat ist der Aufbau und die Verschaltung des Zellen der Retina weitgehend charakterisierten worden. Daher konnte der Einfluß der Neuroligine auf die Ausbildung und Aufrechterhaltung des neuronalen Netzwerkes der Retina, sowie auf die Informationsverarbeitung des gesamten Systems studiert werden. Für diese Studien waren isoformspezifische Antikörper und Mauslinien, in denen einzelne Isoformen genetisch deaktiviert worden waren, essentiell. Zunächst wurde die Rolle von Neuroligin 2 untersucht. Diese Isoform wird vorwiegend in inhibitorischen GABAergen Postsynapsen der Retina exprimiert, jedoch nicht in glycinergen oder glutamatergen Synapsen. In Abwesenheit von Neuroligin 2 kommt es daher zu einem drastischen Rückgang der Anzahl der GABAA Rezeptoren in der inneren synaptischen Schicht. Gleichzeitig konnten interessante, wenn auch nur subtile Veränderungen im neuronalen Netzwerk der Retina festgestellt werden. Diese Veränderungen wirken sich nachteilig auf die Verschlüsselung visueller Informationen durch die Ausgangsneuronen der Retina, den Ganglienzellen, aus. Diese Ergebnisse zeigen, dass Neuroligin 2 für die funktionelle Integrität der GABAergen Signalwege ist und damit auch bedeutend für die Integration aller Informationen in der Retina. Anschließend wurde Neuroligin 4 näher untersucht. Immunhistochemische Untersuchungen zeigen, dass Neuroligin 4 nur in einer Subpopulation von glycinergen Postsynapsen vorhanden ist. Interessanterweise führt der Verlust des Neuroligin 4 Genes nicht zu einer meßbaren Änderung im neuronalen Netzwerk der Retina. Jedoch wurde ein Rückgang, wenn auch eines relativ geringen, der Anzahl der Glycin-Rezeptoren, die die alpha 1 Untereinheit aufweisen, gefunden. Diese Untereinheit ist für die schnellen Reaktionszeiten des Rezeptors verantwortlich. Es konnte auch gezeigt werden, dass glycinerge mIPSCs, die in den Ganglienzellen der Retina gemessen wurden, in Abweisenheit von Neuroligin 4 langsamere Deaktivierungskinetiken aufweisen. Demnach führt das Fehlen von Neuroligin 4 zu subtilen Defekten in dem glycinergen, inhibitorischen Netzwerk der inneren synaptischen Schicht der Retina. Abschliessend wurde Neuroligin 3 charakterisiert. Diese Isoform ist ebenfalls an inhibitorischen, insbesondere in GABAergen, Postsynapsen der inneren plexiformen Schicht lokalisiert. In Abwesenheit von Neuroligin 3 kommt es zu einem drastischen Verlust einer kleinen Subpopulation von GABAA Rezeptoren. Es ist zu vermuten, dass daher auch der Verlust von Neuroligin 3 einen deutlichen Einfluß auf die Informationsverarbeitung durch die Ganglienzellen der Retina haben könnte. Insgesamt lieferte diese Studie erste Einblicke in die unterschiedliche Verteilung von drei Isoformen von Neuroligin in der Retina der Maus. Gleichzeitig erlaubten funktionelle Studien tiefere Einblicke in deren Rolle in Synapsen und bei der Verarbeitung visueller Informationen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung dieser Proteinfamilie für die strukturelle und die funktionelle Integrität größerer Subpopulationen von inhibitorischen Synapsen und damit für die Funktionsweise eines neuronalen Netzwerkes.
Schlagwörter: Synapse; Retina; GABA rezeptor; Glycin Rezeptor; Informationsverarbeitung