The small GTPase Rac1 positively regulates dendritic spine morphogenesis. Little is known, however, about how Rac1 is regulated and whether Rac1 regulates synaptic plasticity. We found that BCR and ABR, two closely related Rac GTPase-activating proteins, directly interact with PSD-95, an abundant postsynaptic scaffolding protein. BCR-/- and ABR-/- mice show enhanced basal Rac1 activity and increased spine density. They also exhibit reduced long-term potentiation (LTP) and impaired learning and memory. Importantly, LTP in wild-type mice requires active Rac1, whereas LTP in BCR-/- and ABR-/- mice is completely resistant to Rac1 inhibition. This unexpected result is consistent with the idea that enhanced basal Rac1 activity in BCR-/- and ABR-/- mice induces compensatory inhibition of Rac1 activation during LTP. Collectively, these results implicate BCR and ABR in negatively regulating Rac1, dendritic spines, and LTP, and suggest the existence of two interchangeable modes of LTP distinguished by their distinctive requirements for Rac1.
In addition, we identified that a novel family of postsynaptic density (PSD) proteins termed TANC that directly interacts with PSD-95. The two isoforms in the TANC family (TANC1 and TANC2) contain various domains including eleven ankyrin repeats, three tetratricopeptide repeats (TPR), a coiled coil, and a C-terminal PDZ domain-binding motif that binds to the PDZ domains of PSD-95. Both TANC isoforms are brain specific and enriched in PSD fractions, but their mRNAs are distinctly distributed in various brain regions. TANC forms a complex with PSD-95 both in vitro and in vivo. TANC requires PSD-95 interaction for its synaptic localization. Importantly, overexpression of TANC1 in cultured neurons promotes dendritic spine and knockdown of siRNA decreases the spine density, but not width and length of spines. To further examine in vivo function of TANC proteins, we generated TANC1 and TANC2 knock-out mice. TANC1-deficient mice show normal synaptic transmission and synaptic plasticity (long term potentiation and long term depression) whereas TANC2-deficient mice were embryonic lethal. However, we found that TANC1 knock-out mice exhibit spatial memory in novel object recognition test and Morris water maze test. These results suggest that TANC proteins are a novel family of PSD proteins that regulate spine maintenance and spatial memory.
Small GTPase Rac1은 dendritic spine morphogenesis에 positive하게 작용하는 단백질이다. 그러나 그 과정에서 Rac1이 어떻게 조절되는지 그리고 Rac1이 시냅스 가소성을 조절할 수 있는지에 대해서는 알려진바가 없는 상태이다. 우리는 Rac GTPase-activating proteins으로서 상호 연관성이 있고, 후 시냅스 scaffolding 단백질인 PSD-95와 결합을 하는 BCR과 ABR을 발견하였다. BCR과 ABR의 유전자 결핍마우스는 기저상태에서 높아진 Rac1의 활성과 증가된 spine 밀도가 관찰된다. 또한 long-term potentiation (LTP)와 공간 학습과 기억에 심각한 결여를 보인다. 중요한 부분은, LTP 과정에서 활성화된 Rac1이 필요한데, 흥미롭게도 BCR과 ABR 결핍마우스에서의 LTP는 Rac1 억제에 저항성을 보인다는 것이다. 이러한 결과는 BCR과 ABR 마우스에서 나타나는 기적상태의 높아진 Rac1의 활성이 LTP 유도 과정에서 compensatory inhibition과정을 일으킨다는 생각과 일치하는 부분이다. 따라서, 이러한 결과는 BCR과 ABR이 Rac1, dendritic spine 그리고 LTP를 negatively 조절하며, Rac1의 특징적인 필요성에 의해서 Rac1-dependent / Rac1-independent한 LTP mode가 있을 것이라는 것을 의미한다. 또한 우리는 PSD-95와 결합하는 새로운 단백질인 TANC를 발견하였다. TANC family의 두 단백질, TANC1과 TANC2는 11개의 ankyrine repeats, 3개의 tetra-tricopeptide repeats 그리고 1개의 coiled-coil domain을 갖고 있으며 c-terminal PDZ binding motif를 통해서 PSD-95와 결합을 한다. 두 단백질은 brain에 특이적 발현과 PSD에 많은 양이 존재하지만, mRNA는 다양한 brain에서 특징적인 발현 패턴을 보인다. 이 단백질들은 PSD-95와의 결합을 통해서 synapse로 이동한다. 특히 TANC1의 과발현시 dendritic spine의 밀도를 증가시키고, siRNA를 이용한 knock-down시 spine 밀도를 감소시킨다. 이러한 결과를 바탕으로, 두 단백질의 $\It{in vivo} 중요성을 확인하기 위해서 각각의 knock-out을 제작하였으나, TANC2 결핍 마우스는 embryonic lethal을 보여 TANC1 결핍마우스만 분석하였다. TANC1 결핍 마우스는 CA3-CA1 synapse의 synaptic transmission과 LTP에는 문제가 없지만, CA3 pyramidal neuron의 spine density가 감소하고 해마를 통해서 이루어지는 novel object recognition test와 morris watermaze에서 심각한 장애가 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, TANC라는 단백질은 새로운 PSD 단백질로서, spine의 유지와 공간 기억을 조절하는 것으로 생각된다.
