IRSp53 is an adaptor protein that acts downstream of Rac and Cdc42 small GTPases and is implicated in the regulation of membrane deformation and actin filament assembly. In neurons, IRSp53 is an abundant postsynaptic protein and regulates actin-rich dendritic spines; however, its in vivo functions have not been explored. We have characterized transgenic mice deficient of IRSp53 expression. Unexpectedly, IRSp53-/- neurons do not show significant changes in the density and ultrastructural morphologies of dendritic spines. Instead, IRSp53-/- neurons exhibit reduced AMPA/NMDA ratio of excitatory synaptic transmission. In addition, IRSp53-/- hippocampal slices show a markedly enhanced long-term potentiation with no changes in long-term depression. Spatial learning and novel object recognition are impaired in IRSp53-/- mice. These results suggest that IRSp53 is involved in the regulation of excitatory synaptic transmission, long-term potentiation, and learning and memory behaviors.
Diacylglycerol (DAG) is a second messenger derived from the hydrolysis of phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) by activation of metabotropic glutamate receptors (mGluRs) that are coupled to Gq/11 and phopsholipase C (PLC). Diacylglycerol kinase (DGK) converts DAG to phosphatidic acid (PA) to terminate the signaling. However, neuronal functions of DGKs are not well understood. Here, I report the significance of DGKi in synaptic functions. DGKi interacts with PSD-95, an abundant postsynaptic scaffolding protein. DGKi is present in both dendrites and axons, and enriched in the core part of the PSD and presynaptic vesicle fractions. Deficiency of DGKi in mice show increases in the probability of neurotransmitter release and basal excitatory synaptic transmission. DGKi deficiency reduces long-term depression induced by activation of metabotropic glutamate receptor (mGluR-LTD). In addition, DGKi-/- mice show hyperactivity and impaired motor coordination. These findings suggest that DGKi??regulates presynaptic release, mGluR-LTD, hyperactivity, and motor functions through neuronal lipid signaling pathways.
IRSp53는 small GTPase인 Rac1과 Cdc42의 downstream effector로서 membrane의 구조와 actin filament assembly를 조절한다. 신경 세포는 presynapse와 postsynapse가 시냅스라는 구조를 이루며 신호 전달이 이루어지는데, IRSp53는 postsynapse에서 다른 단백질들에 비해 많은 양이 발현되며, actin-rich structure인 dendritic spine의 구조 형성 및 유지에 중요하다. 그러나 IRSp53의 in vivo 기능은 아직 알려진 바가 없었다. 본 연구에서는 IRSp53 유전자가 knockout된 생쥐를 만들어서 in vivo에서의 기능을 분석하였다. 예상과는 달리 IRSp53-/- 신경 세포는 dendritic spine의 수나 구조에 변화가 없었다. 그러나 IRSp53가 없는 신경 세포는 excitatory synaptic transmission이 일어나게 하는 AMPA/NMDA 수용체의 비율이 감소하였고 IRSp53-/- hippocampal slice에서 long term potentiation (LTP)이 유의미하게 증가하였다. IRSp53-/- 생쥐로, hippocampus의 기능과 LTP의 역할이 잘 발휘되어야 가능한 공간 기억 테스트인 Morris water maze나 novel object recognition 테스트를 해 보았을 때 정상 생쥐보다 그 기능이 떨어지는 현상을 보였다. 이상의 결과들은 IRSp53가 excitatory synaptic transmission과 LTP, 학습과 기억 능력이 정상적으로 유지되도록 조절한다는 것을 의미한다.
신경 세포의 membrane에 존재하는 수용체들 중 glutamate를 ligand로 인식하고 G protein과 결합하여 하위 신호 전달 체계가 이루어지게 하는 수용체를 metabotropic glutamate receptor (mGluR) 라고 한다. 이 mGluR이 activation되면 결합하고 있던 Gq/11이 phospholipase C (PLC) 를 activation시켜서 phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) 를 diacylglycerol (DAG) 과 inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) 로 분해하도록 촉진한다. 이 DAG는 많은 effector protein에 작용하며 빠르게 소멸된다. 이 때 diacylglycerol kinase (DGK) 가 DAG를 phosphorylation시켜서 phosphatidic acid (PA) 로 만든다. DGK가 조절하는 DAG signaling이 신경 세포에서 synaptic transmission에 어떤 기능을 하는지 잘 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 DGK의 isoform 중 하나인 DGK iota 유전자가 knockout된 생쥐를 통해 DGK iota의 synaptic function을 알아낼 수 있었다. DGK iota는 presynapse와 postsynapse의 core fraction에 존재하고 있고 postsynaptic density protein으로 연구가 많이 된 PSD-95와도 결합하였다. DGK iota가 없으면 hippocampus CA1 area에서 excitatory synaptic transmission이 증가하였고, 특히 presynapse에서 neurotransmitter를 많이 분비하게 하였다. 이 결과는, 지금까지 밝혀지지 않았던 presynapse에서의 endogenous DAG signaling이 DGK iota에 의해 조절될 수 있다는 것과, 1~2 주령의 쥐에서 neurotransmitter가 적게 분비되어야 일어날 수 있는 developmental synaptic maturation이 DGK iota가 없으면 손상받을 수 있다는 것을 의미한다. 또한 presynaptic mGluR을 매개로 하여 presynapse에서 neurotransmitter를 적게 분비함으로써 LTD를 유도한다고 알려진 생후 12-14일 된 쥐에서 특이적으로 mGluR-LTD가 감소하였다. 이상의 결과를 통해 DGK iota는 hippocampus에서 presynapse의 기능과 presynaptic mGluR을 매개로 하는 LTD를 조절한다는 것을 알 수 있었다. 또한 DGK iota-/- 생쥐로 행동 실험을 한 결과, hyperactivity를 보이며 새로운 공간에서 초기에 적응하는 능력인 habituation이 잘 일어나지 않는다는 것과 motor coordination에 문제가 있는 것을 발견했다. Habituation은 LTD와 관련된 행동 양식으로서 DGK iota가 없는 생쥐는 LTD가 잘 일어나지 않기 때문에 habituation이 잘 안 되었다고 여겨진다. 또한 motor coordination이 잘 일어나려면 cerebellar mGluR을 통한 cerebellar LTD가 정상적으로 이루어져야 하므로 DGK iota가 없는 생쥐는 mGluR을 통한 cerebellar LTD에 이상이 생긴다는 것을 뜻한다. 이상의 결과들로 DGK iota는 presynaptic plasticity와 mGluR-LTD, motor coordination을 조절하는데 필요하다는 것을 밝혀내었다.
