Grant: "Identification of the mechanisms by which eIF2α-dependent mRNA translation controls synaptic plasticity and memory consolidation"
International Development Research Centre (IDRC): Joint Canada-Israel Health Research Program, 2015/12 — 2018/11
Principal investigator: Nahum Sonenberg (McGill University, Montreal, Canada)
Co-investigators: Deepak Nair (Centre For Neuroscience, Indian Institute of Science, Bangalore, India); Kobi Rosenblum (Sagol Department of Neurobiology, Haifa University, Haifa, Israel).

Project Description:

English

Translational control is important for regulating both general protein synthesis and synthesis of specific proteins in response to neuronal activity. It is widely acknowledged that dysregulated translation contributes to synaptic dysfunction and memory impairments associated with neurological disorders. Identifying molecular mechanisms underlying synaptic failure and memory loss associated with neurological disorders could provide the basis for new therapeutics for their treatment. Previous studies have demonstrated that eukaryotic initiation factor 2 (eIF2) is an important regulator of protein synthesis, and conspicuous levels of eIF2α phosphorylation can cause memory impairments. However, the cellular and molecular mechanisms by which eIF2 promotes synaptic plasticity and memory consolidation remain unknown.

Using genetic, biochemical, behavioral, electrophysiological, and super resolution imaging approaches, we are investigating the mechanisms of action of eIF2 and its target mRNAs in synaptic plasticity and memory formation. Many questions remain to be answered, such as how regulation of translation plays distinct roles in different cell types in the mammalian brain. Many studies concerning these issues are now in progress.

To understand how eIF2 controls cognition, it is critical to determine the role of eIF2α phosphorylation in different cell types (e.g. excitatory neurons and astrocytes), brain regions (e.g. CA1 versus DG of the hippocampus), and phases of memory formation (e.g. consolidation versus reconsolidation). We are using viruses to achieve selective reduction of P-eIF2α in specific cell types (excitatory neurons and astrocytes) with cell type-specific promoters in conditional transgenic knockin mice, and targeting different brain regions to study the significance and mechanisms of eIF2α signaling in synaptic plasticity, memory consolidation, and reconsolidation.

In recent experiments, we investigated the effect of eIF2α phosphorylation on hippocampus dependent learning using a Morris water maze test. Our data show that reducing eIF2α phosphorylation in excitatory neurons (Figure 1, 2) leads to enhanced hippocampal-dependent spatial learning and memory. These studies will advance our understanding of how memory traces are formed at cellular and molecular levels, and will constitute the basis for the development of small molecules or gene-therapy approaches to enhance memory in conditions associated with cognitive impairment (e.g., aging, neurodegenerative diseases).

Figure 1. A representative slice showing basal GFP expression, indicating the virus injection site

Figure 2. Phosphorylation level of eIF2α is significantly reduced in excitatory neurons in the hippocampus of conditional transgenic knockin mice.

Hebrew

בקרת תרגום חיונית לבקרת סינתזת חלבון כללית וסינתזת חלבונים ספציפיים בתגובה לפעילות נוירונלית. פגיעה בבקרת התרגום תורמת לליקויים בתפקוד הסיפנטי ולליקויי זכרון הקשורים במחלות נוירולוגיות. זיהוי מנגנונים מולקולריים העומדים בבסיס כשל תפקודי של הסינפסה ופגיעה בזכרון יכול להוות בסיס לפיתוח תרופות חדשניות לטיפול במחלות אלו. מחקרים הראו כי פקטור איניציאציה 2 האאוקריוטי (eIF2) ממלא תפקיד מרכזי בבקרת סינתזת חלבון, וכי רמות גבוהות של זרחון תת היחידה α של eIF2 עלולות לגרום לליקויי זכרון. המנגנונים המולקולריים והתאיים אשר באמצעותם eIF2 מעודד פלסטיות סינפטית וגיבוש זכרון אינם ידועים.

באמצעות גישות גנטיות, ביוכימיות, התנהגותיות, אלקטרופיזיולוגיות ושיטת מיקרוסקופיה בסופר-רזולוציה אנו חוקרים את מנגונוני הפעולה של eIF2 ומולקולות ה- mRNA עליהן הוא פועל בסינפטיות פלסטית ויצירת זכרון (קונסולידציה). שאלות רבות עדיין פתוחות, כגון איך בקרת תרגום ממלאת תפקידים שונים בסוגי תאים שונים במוח היונק. מחקרים רבים בנושאים אלו מתבצעים בימים אלו.

כדי להבין כיצד eIF2 מבקר קוגניציה, יש להבין את תפקידו של זרחון eIF2α בסוגי תאים שונים (לדוגמה, נורונים אקסיטטוריים ואסטרוציטים), אזורי מוח שונים (לדוגמה אזור ה- CA1 לעומת אזור ה- DG בהיפוקמפוס), ושלבים שונים ביצירת זכרון (לדוגמה קונסולידציה לעומת רה-קונסולידציה). אנו משתמשים בוירוסים ע"מ לגרום לירידה סלקטיבית בזרחון eIF2α בסוגי תאים ספציפיים באמצעות פרומוטורים מותאמי-תאים בעכברים טרנסגניים מותנים, ומזריקים את הוירוסים הללו לאזורי מוח שונים. ע"י כך ביכולתנו לחקור את המנגנונים באמצעותם eIF2α מעורב בפלסטיות סינפטית, קונסולודציה ורה-קונסולודציה.

בניסויים שנערכו לאחרונה, חקרנו את תפקידו של זרחון eIF2α בלמידה תלויית-היפוקמפוס באמצעות פרדיגמת Morris water maze (מבחן המבוך ע"ש מוריס). הנתונים שבידנו מראים כי הורדת רמת הזרחון של eIF2α בנוירונים אקסיטטוריים (תרשים 1,2) גורמת לשיפור למידה וזיכרון תלויי היפוקמפוס. מחקרים אלו יקדמו את הבנתנו לגבי האופן בו נוצרים זכרונות ברמה התאית והמולקולרית, ויהוו בסיס לפיתוח תרופות מבוססות פרמקולוגיה או גנטיקה לשיפור זכרון במצבים בהם יש פגיעה בו (לדוגמה הזדקנות ומחלות מוח נווניות).


תרשים 1. תמונות מייצגות לחתך מוח בו נראה ביטוי GFP (ללא מניפולציה ניסויית), המעיד על אזור המח אליו הוזרק הוירוס.

תרשים 2. רמות הזרחון של eIF2α יורדת באופן סיגניפיקנטי בנוירונים אקסיטטוריים בהיפוקמפוס של עכברים טרנסגניים מותנים.

Hindi

न्यूरोनल गतिविधि से प्रभावित सामान्य प्रोटीन संश्लेषण और विशिष्ट प्रोटीन के संश्लेषण को विनियमित करने के लिए अनुवादकारी नियंत्रण महत्वपूर्ण है। यह व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है कि अनियंत्रित अनुवाद तंत्रिका संबंधी विकारों से जुड़े अन्तर्ग्रथनी रोग और स्मृति हानि मे योगदान देता है। न्यूरोलॉजिकल विकारों से जुड़े अन्तर्ग्रथनी विफलता और स्मृति हानि के अंतर्गत आने वाले आणविक तंत्र की पहचान करने से उनके इलाज के लिए नए चिकित्सा विज्ञान का आधार प्रदान किया जा सकता है। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि यूकेरियोटिक दीक्षा कारक 2 (ईआईएफ 2 अल्फ़ा) प्रोटीन संश्लेषण का एक महत्वपूर्ण नियामक है, और ईआईएफ 2 अल्फ़ा के विशिष्ट फोस्फोरायलेशन स्तर से स्मृति में कमी हो सकती है। हालांकि, कोशिकीय और आणविक तंत्र जिसके द्वारा ईआईएफ 2 अल्फ़ा अन्तर्ग्रथनी प्लास्टिसी और स्मृति समेकन को बढ़ावा देता है, वह अज्ञात है।

आनुवंशिक, जैव रासायनिक, व्यवहार, इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल और सुपर रिज़ोल्यूशन इमेजिंग दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए हम ईआईएफ 2 अल्फ़ा और उसके लक्ष्य एमआरएनए की क्रियाओं की अन्तर्ग्रथनी प्लास्टिसी और स्मृति संरचना में जांच कर रहे हैं। कई प्रश्नों का उत्तर दिया जाना शेष है, जैसे कि स्तनधारी मस्तिष्क में विभिन्न कोशिकीय प्रकारों में अनुवाद के विनियमन की भूमिका कैसे भिन्न भूमिका निभाती है। इन मुद्दों से संबंधित कई अध्ययन अब प्रगति पर है।

यह समझने के लिए कि ईआईएफ 2 अल्फ़ा कैसे संज्ञानात्मक है, विभिन्न कोशिका प्रकार (जैसे उत्तेजक न्यूरॉन्स और एस्ट्रोसाइट्स), मस्तिष्क क्षेत्रों (जैसे हिप्पोकैम्पस के सीए 1 अथवा डीजी), और स्मृति संरचना के चरण (उदा। समेकन अथवा पुनः समेकन) में ईआईएफ 2 अल्फ़ा फ़ॉस्फोरेलेशन की भूमिका का निर्धारण करना महत्वपूर्ण है। हम सशर्त ट्रांसजेनिक चूहों में कोशिका प्रकार-विशिष्ट प्रमोटरों के साथ विशिष्ट कोशिका प्रकारों (उत्तेजक न्यूरॉन्स और एस्ट्रोसाइट्स) में ईआईएफ 2 अल्फ़ा फ़ॉस्फोरेलेशन के चयनात्मक कमी को प्राप्त करने के लिए वायरस का प्रयोग कर रहे हैं, और अलग-अलग मस्तिष्क क्षेत्रों मे ईआईएफ 2 के संकेत के महत्व और अन्तर्ग्रथनी प्लास्टिसी और स्मृति समेकन का अध्ययन कर रहे है।

हाल के प्रयोगों में, हमने मॉरिस वॉटर मेज़ परीक्षण का प्रयोग करते हुए हिप्पोकैम्पस आश्रित सीखने पर ईआईएफ 2 अल्फ़ा फ़ॉस्फोरेलेशन के प्रभाव की जांच की, उत्तेजक न्यूरॉन में कम किया गया ईआईएफ 2 अल्फ़ा फ़ॉस्फोरेलेशन, हिप्पोकैम्पस-निर्भर स्थानिक सीखने की प्रतिभाऔर स्मृति की बढ़ोतरी करता है। ये अध्ययन हमारी समझ को आगे बढ़ाएंगे कि कोशिकीय और आणविक स्तरों पर स्मृति के निशान कैसे बनते हैं, और संज्ञानात्मक हानि (वृद्ध अवस्था अथवा न्यूरोडीजेनरेटिव रोगो मे) से जुड़ी स्थितियों में स्मृति को बढ़ाने के लिए छोटे अणुओं या जीन-थेरेपी दृष्टिकोण के विकास का आधार तैयार करेंगे।

यह तस्वीर चूहे के मस्तिष्क के हिप्पोकेम्पस मे वायरस के इंजेक्शन को दर्शाती है।

ईआईएफ 2 अल्फ़ा फास्फारिलीकरण का स्तर सशर्त ट्रांसजेनिक चूहों के हिप्पोकैम्पस मे कम है।