Inducción de LTP tardía (L-LTP) Canales de calcio dependientes del potencial: Pueden contribuir a la inducción, si la despolarización alcanza su umbral de activación. Blitzer, 2005. Review disponible en einstein.ciencias.uchile.cl

Proteína quinasa A, desfosforila a un inhibidor de PP1. Proteína fosfatasa 1 (PP1), desfosforila a CaMKII, GluRs, entre otros PKA actúa como “compuerta” para la inducción de LTP tardía

: elementos principales de la cascada de señalización de LTP Algunas proteínas sintetizadas después de inducción de LTP: CaMKII Factores de elongación GluR1 BDNF (brain derived neurotrophic factor) Nota: BDNF es liberado al espacio extracelular y por sí mismo activa la síntesis local de proteínas transcripción génica (vía CREB) y síntesis de nuevas proteínas (en dendritas)

Estructura y regulación de la CAMKII CaMKII en una holoenzima de 12 subunidades. Cada subunidad tiene la estructura que muestra el esquema. En condiciones de reposo (bajo Ca2+), el dominio catalítico está unido en dos zonas (S y T) al dominio autoinhibitorio. La unión de Ca2+/calmodulina libera esta inhibición y expone al sitio activo. Adicionalmente, se expone el sitio T286, que puede ser fosforilado por una subunidad vecina activa. Esta autofosforilación entre subunidades impide la reasociación con el dominio autoinhibitorio, aún después de la disociación de Ca2+/CaM. Lisman et al, 2002. Nature Rev. Neurosci 3:175-190.

Distintos niveles de activación de CAMKII con distintos niveles de calcio. Persistencia del estado activado Sin autofosforilación: ~1 s El estado autofosforilado se mantiene un tiempo que depende de la actividad de la correspondiente proteína fosfatasa (prot. fosfatasa 1, PP-1). Se ha visto que después de inducir LTP, la autofosforilación se mantiene por al menos 8 hrs. Estas propiedades de CaMKII y su capacidad de inducir LTP, han llevado a sugerir la enzima podría estar involucrada no sólo en inducción de la LTP, sino también en la mantención en el tiempo de los cambios en la eficiencia sináptica (Lisman, 1989) Densidad postsináptica (DPS) Lisman et al, 2002

NMDAR CaMKII es la proteína más abundante en las DPS, donde se une al NMDAR, a proteínas de andamio y a elementos del citoesqueleto, en una forma que depende complejamente de su estado de activación y/o autofosforilación. Después de inducir LTP, aumenta la cantidad de CaMKII en espinas y DPSs, (y ésta permanece aumentada). Curr Op Neurobiol 14: 318-327, 2004

Deleción del sitio de autofosforilación de CaMKII inhibe la LTP y afecta el aprendizaje LTP is strongly reduced in an animal that expresses a form of CaMKII in which threonine 286 is replaced by alanine (blue). Insets show excitatory postsynaptic currents (EPSCs) before and after LTP induction. WT, wild type. Learning and memory are affected in animals that express a mutant form of CaMKII. a | Wild-type animals (green) learn to find a hidden platform in the MORRIS WATER MAZE, whereas animals that express the T286A mutant of α-calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (α-CaMKIIT286A) show limited learning (blue). b | Wild-type and mutant animals perform similarly when the platform is visible. c | When the visible platform is hidden, wild-type animals that have just learned the task can immediately find the platform location. α-CaMKIIT286A animals cannot locate the platform, indicating that memory is impaired31 Ver leyenda adjunta

Curso temporal de las modificaciones en CaMKII y receptores AMPA después de la inducción de LTP Colbran and Brown, 2006

Posibles mecanismos de potenciación de la transmisión sináptica por CaMKII:

Componente presináptica de LTP? Hemos visto que la inducción de LTP en las conexiones CA3-CA1 es postsináptica (NMDAR, Ca2+, CaMKII) y que su expresión es también postsináptica (fosforilación e inserción de recetores, síntesis local de proteínas). Sin embargo, algunos investigadores sostienen que parte de su expresión ocurre también en el elemento presináptico (aumento en la liberación de neurotransmisor). Para que esto sea posible, se ha postulado la existencia de un mensajero retrógrado (MR), que podría ser un gas (óxido nítrico?) o un factor de crecimiento (BDNF?). Este postulado no ha podido ser demostrado hasta ahora y algunas evidencias a favor de un cambio presináptico, basadas en análisis de liberación cuántica de NT, han sido cuestionadas por resultados recientes (ver diapositivas siguientes). MR?? Adenilyl cyclase

a) De la expresión m = <EPSP>/q Liberación Cuántica de Neurotransmisor “q” o <mEPSP> = tamaño cuántico (amplitud promedio del potencial sináptico generado por la liberación espontánea de una vesícula) m = contenido cuántico (número promedio de cuantas liberados por impulso) Determinación experimental de q y m (resumen): El valor de q se estima a partir del primer pico del histograma de amplitudes o del valor promedio de los minis (mepp o mEPSP). El valor de m puede determinarse de las siguientes maneras: a) De la expresión m = <EPSP>/q b) De la probabilidad de fallos: m = ln(1po) c) Del coeficiente de variación. m = 1/(CV)2

Efecto presinaptico en LTP? Se usan dos electrodos de estimulación ubicados cerca de las dendritas Estimulación mínima (baja intensidad) produce fallo o respuesta asociada a la descarga de una fibra) % fallos. Cada par corresponde a una célula LTP produce disminución en el % fallos y aumento en el contenido cuántico. Estos resultados sugieren que se producen cambios en la probabilidad de liberación de neurotransmisor. Sin embargo, estudios recientes proponen una explicación alternativa: LTP en una vía Contenido cuántico (m)

Registro de corrientes sinápticas (whole-cell, V-clamp), estimulación presináptica mínima. Notar que a -60 mV no hay EPSC (corrientes vía AMPAR), sí hay a +30 mV. AP5: bloqueador de corrientes NMDA. Descubrimiento de sinapsis silentes y su transformación en funcionales, hace posible intepretación de LTP como fenómeno completamente postsináptico. (LTP)

Descubrimiento de sinapsis silentes y su transformación en funcionales, hace posible intepretación de LTP como fenómeno completamente postsináptico. Se induce LTP. Antes y después de la inducción, se fija V= -60 mV. A qué corresponden estás nuevas corrientes??? (LTP)

Existen sinapsis silentes (tienen receptores de NMDA pero no de AMPA)! Descubrimiento de sinapsis silentes y su transformación en funcionales, hace posible intepretación de LTP como fenómeno completamente postsináptico. Existen sinapsis silentes (tienen receptores de NMDA pero no de AMPA)! Inducción de LTP produce inserción de AMPAR también en estas sinapsis (LTP)

Sinapsis silentes Descubrimiento de sinapsis silentes y su transformación en funcionales, hace posible intepretación de LTP como fenómeno completamente postsináptico. Por qué? Piense... (LTP)

Excepción: LTP independiente de NMDA-R post pre Fibras musgosas Kynunerate: inhibe AMPA-R LTP se ve en presencia de AP5 LTP se ve con BAPTA o EGTA inyectados en céula de CA3 Esta forma de LTP es inducida presinápticamente, posiblemente por activacion de autoreceptores de glutamato kaínicos. Su expresion esta mediada por la activación de PKA y el aumento en la liberación de NT.

Depresión sináptica de larga duración (LTD) en CA1 Se induce en las sinapsis de col. de Schaeffer con CA1, pero mediante estimulación de “baja” frecuencia: 1 Hz, durante15 min) Bear and Dudek, 1993

Depresión de larga duración: LTD (Hipocampo) Inducción de LTD también requiere la activación de receptores de NMDA Inyección postsináptica de BAPTA o EGTA bloquea LTD Ac Okadaico: inhibe fosfatasas PP1 y 2A PP1 se activa por defosforilación de un inhibidor

Dependiendo de la frecuencia de estimulación presináptica, se puede inducir LTP o LTD en las mismas sinapsis Bear and Dudek, 1993

Inducción diferencial de LTP o LTD? Posibles factores que inciden en la activación diferencial de una u otra vía: Magnitud y cinética de los cambios en la concentración de calcio (las fosfatasas dep de calcio tienen menor afinidad por este ion que las kinasas). Activación de diferentes subunidades de receptores de NMDA (NR2A, NR2B)? Problema: no existen inhibidores específicos.

En las dendritas también hay canales dependientes del potencial. Existe propagación retrógrada de potenciales de acción desde el soma-axón hacia las dendritas. Popagación retrógrada de Pot. Acción Diferentes canales en dendritas dendrita apical Axón no se muestra

STDP: Spike timing dependent plasticity Plasticidad hebbiana inducida por descarga casi simultánea de células pre y postsinápticas. STDP: Spike timing dependent plasticity Se induce LTP o LTD, dependiendo del orden de las descargas (pre y post)

Estimulación tetánica STDP 0-100 ms 0-20 ms