The role of the neural cell adhesion molecule-associated polysialic acid in synaptic plasticity in the medial prefrontal cortex of the mouse (Mus musculus)

Abstract

In mammals, polysialic acid (polySia) is a linear homopolymer of α2,8-glycosidically linked units of the monosaccharide sialic acid. The main carrier of polySia in the human and mouse brain is the neural cell adhesion molecule (NCAM). In the adult brain, polySia is predominantly synthesized and added to the extracellular domain of NCAM by the polysialyltransferase ST8SIA4. PolySia-NCAM is known to play an important role in hippocampal synaptic plasticity as well as in hippocampus-dependent learning. Clinical studies have shown that the expression levels of polySia and NCAM are altered in the hippocampus and prefrontal cortex of schizophrenic patients. However, the impact of polySia on N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) and synaptic plasticity in the prefrontal cortex remains unclear. To this aim, I performed immunohistochemical stainings, electrophysiological whole-cell patch-clamp recordings, and field excitatory postsynaptic potential recordings in medial prefrontal cortex (mPFC) slices from C57BL/6 mice after polySia removal using endosialidase NF (endoNF) and in mPFC slices from ST8SIA4-deficient and NCAM-deficient mice. In the present study, I showed that endoNF treatment of mPFC slices resulted in increased evoked GluN1/GluN2B-NMDAR-mediated currents, which we assessed using relatively low (0.3 μM), GluN1/GluN2B-specific concentrations of the GluN2B-selective antagonist Ro 25-6981. Similarly, endoNF caused a pronounced increase in tonic NMDAR-mediated currents, which reflect the activation of extrasynaptic GluN2B-containing NMDARs. Importantly, we reveal that the short-chain polySia containing 12 residues, NANA12, inhibited GluN1/GluN2B-NMDAR-mediated evoked currents in endoNF-treated mPFC slices but not in sham-treated control slices. Moreover, acute polySia removal led to reduced levels of long-term potentiation (LTP) in the mPFC. In mPFC slices from ST8SIA4-deficient mice, I found similar increase in 0.3-μM-Ro 25-6981-sensitive NMDAR-mediated evoked currents, which were accompanied by impaired LTP in the mPFC. Notably, blockade of GluN1/GluN2B-NMDARs by application of 0.3-μM-Ro 25-6981 or NANA12 fully restored impaired LTP levels in endoNF-treated slices and ST8SIA4-deficient mice. Abnormal LTP levels in endoNF-treated slices and ST8SIA4-deficient mice could be also fully rescued by sarcosine, an inhibitor of the glial glycine transporter type-1 and an agonist of the NMDAR glycine-site. Similarly, sarcosine fully rescued LTP levels in mPFC slices from NCAM-deficient mice. Furthermore, Ro 25-6981, NANA12, or sarcosine had no effects on LTP in sham-treated mPFC slices. Altogether, these findings suggest that polySia-NCAM regulates the balance of synaptic and extrasynaptic NMDARs in the mPFC, thus mediating synaptic plasticity in the mPFC. Moreover, these data indicate that NANA12 might represent a potential therapy for restoration of overactivated extrasynaptic NMDARs observed in models of schizophrenia and Alzheimer’s disease.

Polysialinsäure (polySia) ist ein lineares Homopolymer aus Sialinsäure-Resten, die durch α2,8-glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind. PolySia in dem Gehirn ist hauptsächlich mit dem neuralen Zelladhäsionsmolekül NCAM assoziiert. In dem adulten Gehirn wird polySia von der Polysialyltransferase ST8SIA4 produziert. Anschießend fügt ST8SIA4 die entstandenen polySia-Ketten zu der extrazellulären Domäne von NCAM hinzu. Außerdem spielt polySia eine wichitige Rolle in synaptischer Plastizität in Hippokampus so wie auch in Formen des Lernens, die von der Hippokampus-Funktion abhängig sind. Klinische Studien haben gezeigt, dass die Expressionsraten von polySia und NCAM im Hippokampus und präfrontalen Kortex von Schizophrenie-Patienten pathologisch verändert sind. Jedoch bleibt es immer noch unklar, ob diese polySia-NCAM-Veränderungen direkte Einfüsse auf die N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptoren (NMDAR) und damit zusammenhängende synaptische Plastizität im präfrontalen Kortex haben. Um das zu untersuchen, habe ich zuerst PolySia in Hirnschnitten aus dem medialen präfrontalen Kortex (MPFK) von C57BL/6-Mäusen enzymatisch mittels der Endosialidase NF (EndoNF) abgebaut. Darauf habe ich immunohistologische Färbungen, elektophysiologische Ganzzellableitungen mittels der Patch-Clamp-Technik so wie auch extrazelluläre Ableitungen von Feldpotenzialen in EndoNF-MPFK-Hirnschnitten und auch in MPFK-Hirnschnitten aus ST8SIA4- und NCAM-Knockout-Mäusen durchgeführt. In der vorgelegten Studie konnte ich zeigen, dass EndoNF-Behandlung zu Erhöhung von evozierten Strömen führt, die hauptsächlich durch GluN1/GluN2B-NMDAR-Rezeptoren fließen. Um die Fraktion der GluN1/GluN2B-NMDAR-Rezeptoren zu bestimmen, habe ich eine relativ geringe Konzentration (0.3 μM) des GluN2B-NMDA-Rezeptor-Kanalblockers Ro 25-6981 benutzt, die hauptsächlich Ströme durch GluN1/GluN2B-NMDA-Rezeptoren blockiert. EndoNF führte zu einer Erhöhung der tonischen Ströme, die wiederum die Aktivierung von extrasynaptischen NMDA-Rezeptoren widerspiegeln. Außerdem blockierte auch Kurzketten-PolySia (NANA12) Ströme durch GluN1/GluN2B-Rezeptoren in MPFK-Schnitten, die mit EndoNF behandelt wurden, aber nicht in Kontrollschnitten. Somit beobachtete ich ähnliche Effekte von NANA12 und Ro 25-6981 (0.3 μM). Ich konnte auch demonstrieren, dass endoNF-Behandlung die Langzeitpotenzierung (LTP) in MPFK-Schnitten beeinträchtigt. In Schnitten aus ST8SIA4-Knockout-Mäusen fand ich eine ähnliche Erhöhung von evozierten Strömen, die sensitiv für Ro 25-6981 (0.3 μM) waren. In Übereinstimmung mit unseren EndoNF-Schnitten war die Stärke von LTP in ST8SIA4- und NCAM-Knockout-Mäusen ebenso erheblich vermindert. Außerdem führte die Blockade von GluN1/GluN2B-NMDA-Rezeptoren durch NANA12 und Ro 25-6981 (0.3 μM) zu einer kompletten Wiederherstellung von LTP in EndoNF-Schnitten und in ST8SIA4-Knockout-Mäusen. Eine ähnlich erfolgreiche Wiederhestellung von LTP zeigte auch Sarkosin (Sarcosine), ein Inhibitor des Typ-1-Glycin-Transporters und zugleich ein Agonist der NMDA-Rezeptor-Glycin-Bindungsstelle. Hingegen hatten Ro 25-6981, NANA12 und Sarkosin keine Effekte auf LTP in MPFC-Kontrollschnitten. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass polySia-NCAM die Balance zwischen synaptischen und extrasynaptischen NMDA-Rezeptoren reguliert und dadurch synaptische Plastizität in dem präfrontalen Kortex fördert. Darüber hinaus weisen diese Daten darauf hin, dass die kurzkettige Polysialinsäure NANA12 als eine potenzielle therapeutische Strategie weiterentwickelt werden kann, um die Überaktivierung von extrasynaptischen NMDA-Rezeptoren in Schizophrenie- und Alzheimer-Modellen zu normalisieren.