The role of actin depolymerization in the mechanisms of ltp consolidation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The change of CA1 LTP profile in response to high frequency stimulation of Schaffer collaterals after inhibition of actin depolymerization was studied in the rat hippocampal slices. For this purpose before tetanization the slices of experimental group were subjected to inhibitor of actin depolymerization jasplakinolide. To prevent additional activation of actin polymerization during LTP maintenance jasplakinolide infusion stopped 15 minutes after tetanization. In was supposed that the blockade of actin polymerization would prevent consolidation of long-term synaptic plasticity. The mean percentage of posttetanic amplitude increase 1 hour after tetanization with jasplakinolide was significantly less compared to control group. However decreased level of early LTP does not allow to relate this effect directly to impairment of LTP consolidation. To detect specific for consolidation jasplakinolide effects correlation analysis was performed or transformed variables, excluding the contribution of the factor of eLTP magnitude, were compared. It was found that under the same, including high, level of eLTP quite usual after tetanization 100 Hz 1 s depotentiation, was absent in the experimental, but not in the control group. This may indicate improved LTP maintenance, while decreased magnitude compared to control. According to other independent on different eLTP indices LTP maintenance at least was not impaired. The results do not confirm, although they do not disprove the hypothesis of actin depolymerization as a key factor of LTP consolidation. It is supposed that under blockade of actin depolymerization LTP maintenance may be mediated by the local protein synthesis in the dendrites.

About the authors

I. V. Kudryashova

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS

Author for correspondence.
Email: iv_kudryashova@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Балабан П.М., Бородинова А.А. Нейрогенетические технологии исследования механизмов хранения памяти. Рос. Физиол. Журн. им. И.М. Сеченова. 2019. 105 (11): 1392–1405.
  2. Кудряшова И.В. Зависимость долговременной потенциации от исходных свойств СА3-СА1 синапсов: значение для исследования влияния внешних факторов на синаптическую пластичность гиппокампа. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2017. 67 (6): 831–846.
  3. Кудряшова И.В. Молекулярные основы дестабилизации синапсов как фактор структурной пластичности. Нейрохимия. 2019. 36 (1): 3–13.
  4. Кудряшова И.В. Реорганизация актинового матрикса как фактор пресинаптической пластичности. Нейрохимия. 2021. 38 (3): 195–204.
  5. Кудряшова И.В. Тормозный контроль кратковременной пластичности при парной стимуляции зависит от полимеризации актина. Нейрохимия. 2022. 39 (2): 131–143.
  6. Кудряшова И.В. Свойства пресинаптической пластичности в зависимости от полимеризации актина. Биохимия. 2023а. 88 (3): 477–490.
  7. Кудряшова И.В. Координирующая роль актинового цитоскелета в кратковременной нейросетевой пластичности с участием возбуждающих и тормозных синапсов. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2023б. 73 (5): 579–605.
  8. Кудряшова И.В. Роль деполимеризации актина в изменении тормозных влияний на долговременную потенциацию возбуждающих синапсов гиппокампа крыс. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П.Павлова. 2024. 74 (6): 667–686.
  9. Чеснокова Е.А. Колосов П.М. Локальный синтез белка в дендритных окончаниях и способы его регуляции в норме и при пластических изменениях. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П.Павлова. 2016. 66 (2): 163–180.
  10. Bleckert A., Photowala H., Alford S. Dual pools of actin at presynaptic terminals. J. Neurophysiol. 2012. 107: 3479–3492.
  11. Bloom O., Evergren E., Tomilin N., Kjaerulff O., Low P., Brodin L. et al. Colocalization of synapsin and actin during synaptic vesicle recycling. J. Cell Biol. 2003. 161: 737–747.
  12. Blundon J.A., Zakharenko S.S. Dissecting the Components of Long-Term Potentiation. Neuroscientist. 2008. 14: 598–608.
  13. Bosch M., Castro J., Saneyoshi T., Matsuno H., Sur M., Hayashi Y. Structural and molecular remodeling of dendritic spine substructures during long-term potentiation. Neuron. 2014. 82: 444–459.
  14. Bramham C.R. Local protein synthesis, actin dynamics, and LTP consolidation. Curr. Opin. Neurobiol. 2008. 18: 524–531.
  15. Bubb M.R., Spector I., Beyer B.B., Fosen K.M. Effects of jasplakinolide on the kinetics of actin polymerization. An explanation for certain in vivo observations. J. Biol. Chem. 2000. 275: 5163–5170.
  16. Chen L.Y., Rex C.S., Casale M.S., Gall C.M., Lynch G. Changes in Synaptic Morphology Accompany Actin Signaling during LTP. J. Neurosci. 2007. 27: 5363–5372.
  17. Choquet D., Triller A. The Dynamic Synapse Neuron. 2013. 80: 691–703.
  18. Cingolani L.A., Goda Y. Actin in action: the interplay between the actin cytoskeleton and synaptic efficacy. Nat. Rev. Neurosci. 2008. 9: 344–356.
  19. Corti E., Duarte C.B. The role of post-translational modifications in synaptic AMPA receptor activity. Biochem. Soc. Trans. 2023. 51 (1): 315–330.
  20. Fukazawa Y., Saitoh Y., Ozawa F., Ohta Y., Mizuno K., Inokuchi K. Hippocampal LTP is accompanied by enhanced F-actin content within the dendritic spine that is essential for late LTP maintenance in vivo. Neuron. 2003. 38: 447–460.
  21. Gal-Ben-Ari S., Kenney J.W., Ounalla-Saad H., Taha E., David, O., Levitan D. et al. Consolidation and translation regulation. Learn. Mem. 2012. 19: 410–422.
  22. Galvez B., Gross N., Sumikawa K. Activation of α7 nicotinic acetylcholine receptors protects potentiated synapses from depotentiation during theta pattern stimulation in the hippocampal CA1 region of rats. Neuropharmacology. 2016. 105: 378–387.
  23. Gu J., Lee C.W., Fan Y., Komlos D., Tang X., Sun C. et al. ADF/cofilin-mediated actin dynamics regulate AMPA receptor trafficking during synaptic plasticity. Nat Neurosci. 2010. 13: 1208–1215.
  24. Guzman G.A., Guzman R.E., Jordan N., Hidalgo P. A Tripartite Interaction Among the Calcium Channel α1- and β-Subunits and F-Actin Increases the Readily Releasable Pool of Vesicles and Its Recovery After Depletion. Front. Cell Neurosci. 2019. 13: 125.
  25. Holtmaat A., Svoboda K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nat. Rev. Neurosci. 2009. 10: 647–658.
  26. Holzinger A. Jasplakinolide: an actin-specific reagent that promotes actin polymerization. Meth. Mol. Biol. 2009. 586: 71–87.
  27. Honkura N., Matsuzaki M., Noguchi J., Ellis-Davies G.C., Kasai H. The subspine organization of actin fibers regulates the structure and plasticity of dendritic spines. Neuron. 2008. 57: 719–729.
  28. Kelly M.T., Yao Y., Sondhi R., Sacktor T.C. Actin polymerization regulates the synthesis of PKMzeta in LTP. Neuropharmacology. 2007. 52: 41–45.
  29. Kim C.H., Lisman J.E. A role of actin filament in synaptic transmission and long-term potentiation. J. Neurosci. 1999. 19: 4314–4324.
  30. Korn E.D., Carlier M.F., Pantaloni D. Actin polymerization and ATP hydrolysis. Science. 1987. 238: 638–644.
  31. Kramar E.A., Lin B., Rex C.S., Gall C.M., Lynch G. Integrin-driven actin polymerization consolidates long-term potentiation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. 103: 5579–5584.
  32. Krucker T., Siggins G.R., Halpain S. Dynamic actin filaments are required for stable long-term potentiation (LTP) in area CA1 of the hippocampus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. 97: 6856–6861.
  33. Lee J.S., Ho W.K., Lee S.H. Actin-dependent rapid recruitment of reluctant synaptic vesicles into a fast-releasing vesicle pool. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012. 109: E765–774.
  34. Lin B., Kramar E.A., Bi X., Brucher F.A., Gall C.M., Lynch G. Theta stimulation polymerizes actin in dendritic spines of hippocampus. J. Neurosci. 2005. 25: 2062–2069.
  35. Lynch G., Rex C.S., Gall C.M. LTP consolidation: substrates, explanatory power, and functional significance. Neuropharmacology. 2007. 52: 12–23.
  36. McGough A., Pope B., Chiu W., Weeds A. Cofilin changes the twist of F-actin: implications for actin filament dynamics and cellular function. J. Cell Biol. 1997. 138: 771–781.
  37. Messaoudi E., Kanhema T., Soule J., Tiron A., Dagyte G., da Silva B., Bramham C.R. Sustained Arc/Arg3.1 synthesis controls long-term potentiation consolidation through regulation of local actin polymerization in the dentate gyrus in vivo. J. Neurosci. 2007. 27: 10445–10455.
  38. Meyer D., Bonhoeffer T., Scheuss V. Balance and stability of synaptic structures during synaptic plasticity. Neuron. 2014. 82: 430–443.
  39. Michel K., Müller J.A., Oprisoreanu A.M., Schoch S. The presynaptic active zone: a dynamic scaffold that regulates synaptic efficacy. Exp. Cell Res. 2015. 335: 157–164.
  40. Miki T., Malagon G., Pulido C., Llano I., Neher E., Marty A. Actin- and myosin-dependent vesicle loading of presynaptic docking sites prior to exocytosis. Neuron. 2016. 91: 808–823.
  41. Monday H.R., Younts T.J., Castillo P.E. Long-Term Plasticity of Neurotransmitter Release: Emerging Mechanisms and Contributions to Brain Function and Disease. Annu. Rev. Neurosci. 2018. 41: 299–322.
  42. Nakayama A.Y., Harms M.B., Luo L. Small GTPases Rac and Rho in the maintenance of dendritic spines and branches in hippocampal pyramidal neurons. J. Neurosci. 2000. 20: 5329–5338.
  43. Niwa R., Nagata-Ohashi K., Takeichi M., Mizuno K., Uemura T. Control of actin reorganization by Slingshot, a family of phosphatases that dephosphorylate ADF/cofilin. Cell. 2002. 108: 233–246.
  44. Okamoto K., Narayanan R., Lee S.H., Murata K., Hayashi Y. The role of CaMKII as an F-actin-bundling protein crucial for maintenance of dendritic spine structure. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 2007. 104: 6418–6423.
  45. Ouyang Y., Wong M., Capani F., Rensing N., Lee C.-S., Liu Q. et al. Transient decrease in F-actin may be necessary for translocation of proteins into dendritic spines. Eur. J. Neurosci. 2005. 22: 2995–3005.
  46. Peng Y., Zhao J., Gu Q-H.H., Chen R-Q.Q., Xu Z., Yan J-Z.Z. et al. Distinct trafficking and expression mechanisms underlie LTP and LTD of NMDA receptor-mediated synaptic responses. Hippocampus. 2010. 20: 646–658.
  47. Priel A., Tuszynski J.A., Woolf N.J. Neural cytoskeleton capabilities for learning and memory J. Biol. Physics. 2010. 36: 3–21.
  48. Ramachandran B., Frey J.U. Interfering with the actin network and its effect on long-term potentiation and synaptic tagging in hippocampal CA1 neurons in slices in vitro. J. Neurosci. 2009. 29: 12167–12173.
  49. Reinhard J.R., Kriz A., Galic M., Angliker N., Rajalu M., Vogt K.E., Ruegg M.A. The calcium sensor Copine-6 regulates spine structural plasticity and learning and memory. Nat. Commun. 2016. 7: 11613.
  50. Rex C.S., Chen L.Y., Sharma A., Liu J., Babayan A.H., Gall C.M., Lynch G. Different Rho GTPase–dependent signaling pathways initiate sequential steps in the consolidation of long-term potentiation. J. Cell Biol. 2009. 186: 85–97.
  51. Rex C.S., Gavin C.F., Rubio M.D., Kramar E.A., Chen L.Y., Jia Y. et al. Myosin IIB regulates actin dynamics during synaptic plasticity and memory formation. Neuron. 2010. 67: 603–617.
  52. Rust M.B., Gurniak C.B., Renner M., Vara H., Morando L., Görlich A. et al. Learning, AMPA receptor mobility and synaptic plasticity depend on n-cofilin-mediated actin dynamics. EMBO. J. 2010. 29. 1889–1902.
  53. Sankaranarayanan S., Atluri P.P., Ryan T.A. Actin has a molecular scaffolding, not propulsive, role in presynaptic function. Nat. Neurosci. 2003. 6: 127–135.
  54. Shupliakov O., Bloom O., Gustafsson J.S., Kjaerulff O., Low P., Tomilin N. et al. Impaired recycling of synaptic vesicles after acute perturbation of the presynaptic actin cytoskeleton. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. 99: 14476–14481.
  55. Tong L., Prieto G.A., Cotman C.W. IL-1β suppresses cLTP-induced surface expression of GluA1 and actin polymerization via ceramide-mediated Src activation. J. Neuroinflammation. 2018. 15: 127.
  56. Tamano H., Minamino T., Fujii H., Takada S., Nakamura M., Ando M., Takeda A. Blockade of intracellular Zn2+ signaling in the dentate gyrus erases recognition memory via impairment of maintained LTP. Hippocampus. 2015. 25: 952–962.
  57. Tsokas P., Ma T., Iyengar R., Landau E.M., Blitzer R.D. Mitogenactivated protein kinase upregulates the dendritic translation machinery in long-term potentiation by controlling the mammalian target of rapamycin pathway. J. Neurosci. 2007. 27: 5885–5894.
  58. Yang Y., Wang X.B., Frerking M., Zhou Q. Spine expansion and stabilization associated with long-term potentiation. J. Neurosci. 2008. 28: 5740–5751.
  59. Yao J., Qi J., Chen G. Actin-Dependent Activation of Presynaptic Silent Synapses Contributes to Long-Term Synaptic Plasticity in Developing Hippocampal Neurons. J. Neurosci. 2006. 26: 8137–8147.
  60. Yasui T., Fujisawa Sh., Tsukamoto M., Matsuki N., Ikegaya Y. Dynamic synapses as archives of synaptic history: state-dependent redistribution of synaptic efficacy in the rat hippocampal CA1. J. Physiol. 2005. 566: 143–160.
  61. Zhou Q., Xiao M., Nicoll R.A. Contribution of cytoskeleton to the internalization of AMPA receptors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. 98: 1261–1266.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».