Endoplasmic Reticulum Dynamic Structural Changes in Neurons: The Fission-Fusion Phenomena

Abstract: Popular Abstract in Swedish Det endoplasmatiska retiklet (ER) är nödvändigt för proteinsyntes och posttranslationell proteinmodifiering. ER är också iblandat i cellstress och utgör den största intracellulära kalciumkällan i nervceller. Neuronalt ER bildar ett kontinuerligt nätverk som består av dels rörliknande förbindelser (tubules) och större cisterner. Att nätverket utgör en kontinuerlig lumen är en viktig egenskap som gör att proteiner och kalciumjoner kan röra sig inom ER och utjämna lokala koncentrationsskillnader. Vi visar att ER i nervceller kan genomgå snabb fission (= fragmentering) och därefter fusion. Detta fenomen har tidigare inte rapporterats i neuron. Våra fynd visar att ER-fission i hippokampusneuron i primärkultur eller organotypa kulturer induceras av kalciuminflöde genom en särskild glutamatreceptorklass: NMDA-receptorn. Genom farmakologiska försök har vi visat att ER-fission induceras oberoende av kalciumfrisättning från ER. Dessutom har vi funnit att mild hypotermi leder till ökad fission. Detta är av intresse eftersom mild hypotermi har visat sig ha en skyddande effekt i experimentella stroke-modeller. Slutligen har vi med 2- fotonmikroskopi kunnat visa att snabb ER-fission också sker i hjärnan in situ i en djurmodell av hjärtstopp. Vi har studerat ER struktur med ljusmikroskopi (konfokal och 2-foton) i levande nervceller i primärkultur och organotypa kulturer samt i den levande hjärnan. För odlade celler användes transfektion för att få dessa celler att uttrycka fluorescerande proteiner specifikt i ER. För imaging av organotypa kulturer och hjärnan in situ genererades olika transgena musstammar med expression av ER-markörerna i olika populationer av neuron. Dessutom har transmissionselektronmikroskopi använts på fixerad vävnad från organotypa kulturer. För att möjliggöra kvantifiering av ER fission och fusion har vi utvecklat en ny dataanalysmetod baserad på ”fluorescence recovery after photobleaching” (FRAP). Våra data visar att ER är en dynamisk modell och vi föreslår en modell för ER-struktur där kontinuiteten av ER hela tiden bestäms av en jämvikt mellan fission och fusion. Aktivering av NMDA-receptorn skiftar jämvikten mot fission medan inhibering av NMDA-receptorn har motsatt effekt. Denna hittills okända strukturella dynamik har sannolikt viktiga funktionella konsekvenser för såväl fysiologiska som patofysiologiska processer vilket diskuteras i denna avhandling.