Γλοιακά κύτταρα και μηχανισμοί μνήμης και μάθησης στο νηματώδη Caenorhabditis elegans: ο ρόλος της πρωτεΐνης PQN-21

Abstract

The work presented in the following pages focuses on the elucidation of the molecular mechanisms underlying neuronal plasticity, in terms of learning and memory, in the nematode Caenorhabditis elegans. Neuronal plasticity appears to be conserved among different species and can be observed through changes in the animal’s behavior after certain experiences. The nervous system processes and integrates sensory input to generate both immediate responses and long-term changes in behavior. The nematode worm Caenorhabditis elegans displays a remarkable capacity for experience-induced changes in behavior and several such paradigms have been described so far. Modulation of behavior by past experience is a manifestation of the C. elegans learning and memory capacity. Here, we report the identification of PQN-21, a C. elegans protein bearing a Q/N richprion domain, as modulator of learning and memory processes. Prions are infectious agents implicated in a variety of neurodegenerative diseases in mammals, generally referred to as transmissible spongiform encephalopathies. The glutamine/asparagine (Q/N)-rich domain of prions appears to be responsible for their unusual capacity to fold into structurally and functionally distinct conformations, one of which is self-perpetuating. Usually the selfperpetuating- prion form is organized in self-seeding polymers and can induce other proteins with similar sequences to acquire the prion state, creating a chain reaction. Prion-like proteins are widespread (found in mammals, fungi, yeast), conserved and serve diverse functions. In the sea snail Aplysia californica, the prion-like neuronal protein CPEB (Si et al., 2003) functions as a positive regulator of mRNA translation in stimulated synapses and helps to maintain longterm synaptic changes associated with memory acquisition and storage. We find that pqn-21 is expressed in C. elegans neuronal and glial cells and that PQN-21 localizes in the nucleus. Deletion of the pqn-21 gene results in defective gonadal outgrowth and egg-laying. Interestingly, while PQN-21-depleted animals display normal chemotaxis to several soluble and volatile compounds, they show strongly impaired conditioning to chemicals, indicating a shortfall in associative learning and memory, as well as impaired olfactory adaptation. In addition, we find that mutants with defective glial cells show a similar phenotype. Relative to this, we showed that expression of PQN-21 in glial cells is necessary for olfactory adaptation. Based on these observations, we conclude that prion-like PQN-21 protein functions in glial cells to facilitate learning and memory. Given the conserved function of prion-like proteins among diverse species, C. elegans offers an attractive and versatile platform in which to dissect the relevant mechanisms. To this end, we are characterizing the function of PQN-21, the neuronal circuit that mediates these behaviors and the involvement of glial cells in certain paradigms of learning and memory in C. elegans.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μία μελέτη των μηχανισμών που καθορίζουν την πλαστικότητα του νευρικού συστήματος, μέσω των συμπεριφορών της μνήμης και μάθησης στο νηματώδη Caenorhabditis elegans. Η νευρωνική πλαστικότητα είναι συντηρημένη ανάμεσα σε διαφορετικά είδη και εκδηλώνεται μέσω της αλλαγής της συμπεριφορά, με βάση την προγενέστερη εμπειρία. Το νευρικό σύστημα αντιλαμβάνεται και επεξεργάζεται τα περιβαλλοντικά ερεθίσματα προκαλώντας την άμεση απόκριση του οργανισμού και παράλληλα μακροπρόθεσμες αλλαγές της συμπεριφοράς. Το νηματώδες σκουλήκι C. elegans παρουσιάζει μια αξιοσημείωτη πλαστικότητα στο νευρικό του σύστημα, η οποία εκδηλώνεται με πολλές διαφορετικούς μορφές. Η αλλαγή της συμπεριφοράς ενός οργανισμού με βάση την προγενέστερη εμπειρία του αποτελεί την εκδήλωση του φαινομένου της μνήμης και της μάθησης. Από την παρούσα εργασία προέκυψε ότι η πρωτεΐνη PQN-21 του C. elegans, η οποία φέρει μία περιοχή πλούσια σε γλουταμίνες (Q) και ασπαραγίνες (Ν), τύπου prion, ρυθμίζει τις διεργασίες μνήμης και μάθησης. Οι πρωτεΐνες prion είναι μολυσματικοί παράγοντες και ευθύνονται για νευροεκφυλιστικές ασθένειες των θηλαστικών που είναι γνωστές ως μεταδοτικές σπογγώδεις εγκεφαλοπάθειες. Η περιοχή τύπου prion των πρωτεϊνών αυτών είναι υπεύθυνη για εναλλαγές μεταξύ διαφορετικών στερεοδιαμορφώσεων, τουλάχιστον μία εκ των οποίων είναι αυτό–διαιωνιζόμενη. Η συγκεκριμένη αυτό–διαιωνιζόμενη μορφή συνήθως οργανώνεται σε συσσωματώματα και επάγει την αναδιαμόρφωση άλλων πρωτεϊνών, παρόμοιας αλληλουχίας, στην κατάσταση τύπου prion, δημιουργώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση. Πρωτεΐνες τύπου prion συναντώνται σε πολλούς οργανισμούς (θηλαστικά, ζύμη, μύκητες) στους οποίους και επιτελούν διάφορες συντηρημένες λειτουργίες. Στο θαλάσσιο σαλιγκάρι, Aplysia californica, η πρωτεΐνη τύπου prion CPEB (Si et al., 2003) ρυθμίζει την μετάφραση μορίων mRNA στις ενεργές συνάψεις, ενισχύοντας τις συναπτικές αλλαγές που υποστηρίζουν τις διαδικασίες μνήμης και μάθησης. Το γονίδιο pqn-21 εκφράζεται σε νευρώνες και γλοιακά κύτταρα του C. elegans, ενώ το πρωτεϊνικό του προϊόν εντοπίζεται σε υποκυτταρικό επίπεδο στον πυρήνα. H έλλειψη του γονιδίου pqn-21 προκαλεί μορφολογικές και λειτουργικές ανωμαλίες στην γονάδα του C. elegans. Επιπλέον, άτομα που φέρουν τη συγκεκριμένη μεταλλαγή, ενώ εμφανίζουν φυσιολογική αίσθηση των χημικών ερεθισμάτων, αδυνατούν να εκδηλώσουν συμπεριφορές μνήμης και μάθησης που σχετίζονται με τα ερεθίσματα αυτά. Παράλληλα, παρόμοιος φαινότυπος, παρατηρήθηκε και σε άτομα με ελαττωματικά γλοιακά κύτταρα. Σχετικά με την παρατήρηση αυτή, αποδείχτηκε ότι η παρουσία της πρωτεϊνης PQN-21 στα συγκεκριμένα γλοιακά κύτταρα είναι απαραίτητη για την εκδήλωση φυσιολογικών συμπεριφορών μνήμης και μάθησης. Με βάση τα αποτελέσματα, αυτά προσπαθήσαμε να χαρακτηρίσουμε τη λειτουργία πρωτεΐνης PQN-21, το νευρωνικό δίκτυο που ρυθμίζει τις συμπεριφορές αυτές και το ρόλο των γλοιακών κυττάρων στις διεργασίες μνήμης και μάθησης στο C. elegans.