Expresión de un inhibidor endógeno de CaMKII luego de la inducción de potenciación a largo plazo en el hipocampo de rata

Abstract

La proteína quinasa dependiente de Ca2+/Calmodulina II (CaMKII) es una molécula de señalización sináptica que se expresa abundantemente en el cerebro y que juega un rol crítico en la formación de memorias y la inducción de eventos de plasticidad sináptica. La activación y autofosforilación en el sitio T286 de CaMKII son requeridas para inducir potenciación a largo plazo (LTP), fenómeno de plasticidad sináptica considerado modelo celular que subyace el aprendizaje. Las sinapsis glutamatérgicas de la región CA1 del hipocampo expresan un tipo de LTP que es dependiente del receptor de N-metil-D-aspartato (NMDAR). Luego de inducir LTP, CaMKII autofosforilada es enriquecida en la densidad postsináptica (PSD), en donde (i) gatilla una cascada de señalización que finaliza con el aumento a largo plazo de la corriente mediada por lo receptores de tipo AMPA (AMPARs) y (ii) forma un complejo con la subunidad GluN2B del NMDAR. Mutaciones que previenen la autofosforilación de CaMKII o que interrumpen la asociación del complejo GluN2B-CaMKII causan un déficit en la inducción de la LTP y severos defectos en el aprendizaje. Debido a que CaMKII adquiere una actividad independiente de Ca2+ mediante su autofosforilación o su unión a la subunidad GluN2B, es esperable que su actividad quinasa sea adecuadamente regulada. Esta regulación podría llevarse a cabo a través de cambios en la expresión de dos inhibidores endógenos y específicos de CaMKII: CaMK2N1 y CaMK2N2 (también denominados CaMKIINα y CaMKIINβ, respectivamente). Estudios han revelado que CaMK2N1 aumenta transitoriamente su expresión en el hipocampo y en la amígdala luego del condicionamiento al miedo en ratones, sugiriendo un rol en controlar la actividad de CaMKII desde estadios tempranos de la consolidación de la memoria. Adicionalmente, estudios recientes han mostrado que la aplicación transitoria de péptidos inhibitorios 2 derivados de CaMK2N a rebanadas agudas de hipocampo interrumpe la interacción basal entre CaMKII y GluN2B y causa una depresión sináptica tanto en sinapsis naïve como en sinapsis previamente potenciadas, lo cual revierte la saturación de la LTP. Sin embargo, hasta el momento no existe evidencia que la expresión de CaMK2N sea regulada luego de inducir LTP en el hipocampo, así como ocurre luego del aprendizaje. En este estudio, se investigó si la expresión a nivel de mRNA de CaMK2N1 y CaMK2N2 es regulada luego de la inducción de LTP por estimulación a alta frecuencia (HFS) en la región CA1 de rebanadas agudas de hipocampo de rata. Experimentos de PCR cuantitativo (del inglés Polymerase Chain Reaction) revelaron que Camk2n1 aumenta su expresión 60 minutos después de inducir LTP. En contraste, la expresión de Camk2n2 no cambió. Además, se encontró una correlación positiva entre la magnitud de la potenciación y el cambio en la expresión de Camk2n1. Estos resultados, en conjunto con los hallazgos anteriores, sugieren que el aumento en la expresión de Camk2n1 luego de la inducción de LTP podría ser parte de un mecanismo de regulación que facilite la subsecuente inducción de eventos de plasticidad sináptica, una vez que los niveles basales de expresión del inhibidor se reestablecen.

Ca2+/calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) is an abundant synaptic signaling molecule that plays a critical role in memory formation and induction of synaptic potentiation. CaMKII activation and autophosphorylation at T286 are required to induce long-term potentiation (LTP), a form of synaptic plasticity considered a cellular model underlying learning. CA1 hippocampal synapses expresses a type of LTP dependent on the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR). After LTP induction, autophosphorylated CaMKII becomes enriched at postsynaptic densities, where it (i) triggers a biochemical cascade that produces a long-lasting increase of AMPA receptor (AMPAR) mediated currents and (ii) binds to the NMDAR GluN2B subunits. Mutations that prevent CaMKII autophosphorylation or disrupt the CaMKII-GluN2B complex cause a deficit in LTP induction and severe learning defects. Since CaMKII can be autonomously active by autophosphorylation or NMDAR binding, and considering its role in LTP induction and memory formation, it is expected that the kinase activity should be tightly regulated. This regulation may involve changes in the expression of two endogenous CaMKII-specific inhibitors: CaMK2N1 and CaMK2N2 (also named CaMKIINα and CaMKIINβ, respectively). Studies have revealed that CaMK2N1 transiently increases its expression in the rodent hippocampus and amygdala after fear conditioning, suggesting a role in controlling CaMKII activity in early stages of memory consolidation. Additionally, previous studies showed that transient application of CaMK2N-derived peptides to acute hippocampal slices disrupts the basal interaction between CaMKII-GluN2B and causes long-lasting synaptic depression in both naïve synapses and in previously potentiated synapses in which it reverses LTP saturation. However, it is not clear if CaMK2N expression is regulated after induction of LTP, as same as after fear conditioning. Here, 4 we investigated whether CaMK2N1 and CaMK2N2 gene expression is regulated after the induction of LTP in CA1 region of acute rat hippocampal slices. Real-time PCR experiments revealed that CaMK2N1 mRNA expression was up-regulated 60 min after LTP induction. In contrast, CaMK2N2 mRNA expression did not change. Additionally, correlation analysis showed a positive correlation between the LTP magnitude and Camk2n1 expression increase. These results, overall with the previous findings, suggest that the up-regulation of CaMK2N1 after LTP induction could be part of a regulation mechanism that facilitates the induction of subsequent synaptic plasticity events once basal expression levels are re-established.