English Title: The role of neuregulin-erbB4 signaling in the regulation of the synaptic plasticity in the adult brain

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Abstract

Varianten des humanen Neuregulin-1 (NRG1) Gens, das für eine Familie neuronaler Wachstumsfaktoren kodiert, erhöhen vermutlich das Risiko an Schizophrenie (SZ) zu erkranken. Der maßgebliche NRG1-Rezeptor im Zentralnervensystem (ZNS) ist die membranständige Tyrosinkinase ErbB4, die ebenfalls einen potentiellen Risikofaktor für die Ausbildung von SZ darstellt. Dem NRG1-ErbB4-Signalweg wird eine Reihe von Funktionen zugeschrieben, z. B. bei der Migration kortikaler Interneurone und der Regulation synaptischer Plastizität. Da Nullmutanten des ErbB4- bzw. NRG1-Gens bereits während der Embryonal-entwicklung sterben, ist die ErbB4-Funktion im adulten Gehirn noch nicht genau verstanden. Zur genaueren Untersuchung der Rolle von ErbB4 im adulten Gehirn wurden im Rahmen dieser Studie konditionale, zelltyp-spezifische Mausmutanten des ErbB4-Gens hergestellt und die Auswirkungen der ErbB4-Mutation auf die adulte Gehirnfunktion näher untersucht. Bei der Analyse einer Pyramidenzell-spezifischen ErbB4-Nullmutante, in welcher der Verlust der ErbB4-Funktion erst postnatal einsetzt, wurden keine deutlichen Veränderungen in der Gehirnentwicklung oder Unterschiede in der Transkription von Neurotransmitter-Rezeptoren beobachtet. Elektrophysiologische Unter-suchungen wiesen zudem eine unbeeinträchtigte Ausbildung synaptischer Plastizität im Hippokampus nach. Eine anschließende Expressionsanalyse mit Hilfe von in situ-Hybridisierungen, Immunfärbungen und Einzellzell- PCR ergab, dass ErbB4-mRNA hauptsächlich in Parvalbumin (PV)-exprimierenden Interneuronen vorlag, während in Pyramidenzellen nur in einzelnen Fällen geringe Mengen ErbB4-mRNA nachgewiesen werden konnte. Diese Befunde führten zur Herstellung einer Mausmutante, in der ein selektiver, postnatal einsetzender Verlust der ErbB4-Funktion in PV-exprimierenden Interneuronen vorlag. Bei der Analyse dieser Mutante wurden ebenfalls keine Veränderungen in der Gehirnentwicklung, der Anzahl kortikaler, PV-exprimierender Interneurone oder der Transkription von Neurotransmitter-Rezeptoren beobachtet. Die Auswirkung des selektiven Verlusts der ErbB4-Funktion in PV-exprimierenden Interneuronen wird z.Z. mit Hilfe von elektrophysiologische Untersuchungen und Verhaltenstests analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen daraufhin, dass ErbB4 im adulten Gehirn synaptische Plastizität in Interneuronen moduliert. Eine Beeinträchtigung synaptischer Funktionen aufgrund chronischer Veränderungen des NRG1-ErbB4-Signalwegs könnte zur Entstehung von SZ beitragen. Die vorhandenen NRG1-spezifischen Antikörper sind für eine Untersuchung der subzellulären Lokalisation oder des Prozessierungsmusters von NRG1 im Nervensystem nicht geeignet. Daher wurde in einem Nebenprojekt eine transgene Mauslinie hergestellt, die Hämagglutininepitop (HA)-markiertes NRG1 typ III neuronal überexprimiert. Die N-terminale HA-Markierung beeinträchtigt nicht die in vivo-Funktion von NRG1, denn transgene Mäuse weisen eine deutliche Hypermyelinisierung im PNS und ZNS auf. Diese transgene Mauslinie stellt daher ein wichtiges Werkzeug dar, um die subzelluläre Lokalisation, den Transport und die proteolytische Prozessierung von NRG1 typ III genauer zu untersuchen.

Translation of abstract (English)

The human Neuregulin-1 (NRG1) gene, which encodes a family of neuronal growth factors, has been identified as a susceptibility gene for schizophrenia (SZ). ErbB4, a transmembrane tyrosine kinase, is the predominant NRG1 receptor in the central nervous system (CNS) and might also represent a SZ susceptibility gene. Multiple functions of NRG1-ErbB4 signaling have been suggested, including a role in migration of cortical interneurons and synaptic plasticity. However, in vivo data for the adult brain are limited, due to the embryonic lethality of NRG1 and ErbB4 null mutations in mice. Moreover, the exact ErbB4 expression profile in the adult brain has not been properly defined. To better understand ErbB4 function in the adult brain, we have generated cell type-specific mouse mutants of the ErbB4 gene and studied the effects of a postnatal loss of ErbB4 on cortical development and synaptic plasticity. Conditional null mutants lacking ErbB4 in cortical projection neurons beginning at postnatal stages (using a CamKII-Cre driver line) develop normally and exhibit no obvious defects in cortical development. Moreover, cortical expression levels of AMPA and NMDA receptors were unaltered. Electrophysiological analysis revealed largely unaffected synaptic plasticity in the hippocampus of projection neuron-specific ErbB4 mutants. Subsequent expression analysis by in situ hybridization, immunostaining, and single cell-PCR demonstrated that ErbB4 mRNA is predominantly located in parvalbumin (PV) expressing interneurons, in contrast, ErbB4 expression was only very rarely detected in pyramidal cells. Using a PV-Cre driver line, we next generated mice lacking ErbB4 selectively in PVexpressing interneurons, again beginning at postnatal stages. These mouse mutants did not display obvious histological abnormalities. Numbers of cortical PV-expressing interneurons as well as cortical expression levels of AMPA and NMDA receptors were unaltered. Currently ongoing analyses focus on the consequences of a PV interneuron-specific lack of ErbB4 on synaptic structure, hippocampal synaptic plasticity, and behavior. We suggest that ErbB4 signaling in the mature brain modulates synaptic functions, most likely acting through an interneuronally expressed ErbB4 receptor. Impaired synaptic plasticity as a consequence of chronic alterations in the level of NRG1-ErbB4 signaling might contribute to the pathophysiology of SZ. In the absence of appropriate NRG1 antibodies little is known about the processing and subcellular localization of NRG1 in vivo. Therefore, in a side project we have generated a transgenic mouse line expressing N-terminally hemagglutinin epitope (HA)-tagged NRG1 type III under control of a neuron-specific promotor. Analyses of these transgenic mice revealed significant hypermyelination in the CNS and PNS, thus demonstrating an unaltered function of HA-tagged NRG1 type III. This transgenic mouse line will be an excellent tool to study proteolytic processing, transport, and subcellular localization of NRG1 type III in the nervous system.