The MT2 receptor is a principal type of G protein-coupled receptor that mainly mediates the effects of melatonin. Deficits of melatonin/MT2 signaling have been found in many neurological disorders, including Alzheimer's disease, the most common cause of dementia in the elderly, suggesting that preservation of the MT2 receptor may be beneficial to these neurological disorders. However, direct evidence linking the MT2 receptor to cognition-related synaptic plasticity remains to be established. Here, we report that the MT2 receptor, but not the MT1 receptor, is essential for axonogenesis both in vitroșiin vivo. Constatăm că formarea axonilor este întârziată la șoarecii knockout ai receptorului MT2, la felii de creier electroporate MT2-shARN sau la neuronii primari tratați cu un antagonist selectiv al receptorului MT2. Activarea receptorului MT2 promovează axonogeneza care este asociată cu o îmbunătățire a transmiterii sinaptice excitatorii în neuronii centrali. Componentele de semnalizare în aval de receptorul MT2 constau din Akt/GSK-3 cascadă /CRMP-2. Motivul C-terminal al receptorului MT2 se leagă direct de Akt. Fie inhibarea receptorului MT2, fie întreruperea legării receptorului MT2-Akt reduce axonogeneza și transmiterea sinaptică. Datele noastre sugerează că receptorul MT2 activează Akt/GSK-3 /CRMP-2 de semnalizare și este necesar și suficient pentru a media axonogeneza funcțională și formarea sinaptică în neuronii centrali.
Synaptic circuits are established at the sites of axon–dendritic, axon–somatic, or axon–axonal contact, in which functional axonogenesis is a critical step. Axonogenesis can be regulated by many intracellular signals that involve cytoskeletal rearrangements, local protein degradation, as well as diffusional barriers. Additionally, several extracellular neurotrophic factors and hormones have also been shown to have a role in axon guidance and synaptic formation in central neurons. To date, the role of melatonin and its receptors in axonogenesis remains unclear. Most of the biological functions of melatonin are mediated by its two receptors, MT1 and MT2 receptors, both of them belong to the G protein-coupled receptor (GPCR) subfamily and are widely expressed throughout the central nervous system (CNS). Activation of the MT2 receptor in response to melatonin is critical for controlling circadian rhythms and regulation of slow-wave sleep. Early studies have shown that activation of the MT2 receptor in the retina reduces the release of dopamine, while dopamine inhibits growth cone motility and neurite outgrowth during embryonic development, suggesting the involvement of the MT2 receptor in functional axonogenesis. In mutant mice with deficient expression of the MT2 gene, the induction of long-term potentiation (LTP) of excitatory synaptic transmission is impaired, and this impairment is closely related to deficits in learning. In the hippocampus, the MT2 receptor inhibits GABAA receptor-mediated current, which is implicated in synaptic transmission. In Alzheimer's disease, expression of the MT2 receptor is significantly reduced, especially in the hippocampus. A partial agonist of the MT2 receptor, UCM765, exhibits anxiolytic-like properties by increasing the time spent in the open arm of an elevated plus-maze test, and by reducing the latency to eat in a novel environment in the novelty suppressed feeding test, suggesting its role in anxiety. Together, these findings suggest that the MT2 receptor links the signaling cascades that mediate learning and memory formation, one of the important biological functions of melatonin; however, the cellular and molecular events underlying this linkage are yet to be established.
Neuronii hipocampali disociați au fost folosiți în mod obișnuit ca un excelentin vitromodel în studiul dezvoltării axonilor și transmiterii sinaptice, deoarece mențin caracteristicile morfologice, funcționale și moleculare ale neuronilor hipocampaliin vivo. In dissociated hippocampal neurons, the transition for axon formation and maturation involves the following five stages: stage 1 neurons (2 to 4 h after plating) display abundant lamellipodia and filopodia that develop into several immature short neurites at stage 2 (12 to 24 h); polarization occurs at stage 3 (24 to 48 h), in which a single neurite initiates a rapid elongation to become the axon while others acquire dendritic identity; stage 4 (3–4 days) is characterized by rapid outgrowth of axon and dendrites; and at stage 5 (7 days onwards), the maturation of axon and dendrites is essential for functional synapse formation. In the present study, we have identified a novel role for the MT2 receptor in functional axonogenesis and show that activation of the MT2 receptor is crucial for functional axonogenesis and synaptic transmission in central neurons. Using fluorescence resonance energy transfer (FRET) imaging combined with peptide blocking assays, we have identified Akt as an interacting partner and a substrate of the MT2 receptor. Activation of the MT2 receptor-Akt signaling cascade promotes the formation of functional synapses in the hippocampus, whereas inhibition of the MT2 receptor arrests axonogenesis and synaptic transmission. Given the implications of the MT2 receptor in learning and memory, we propose that targeting MT2 receptor-Akt signaling may be a feasible strategy for stimulating functional synaptic circuit assembly.
Acumularea receptorului MT2 în axonii polarizați
Pentru a explora rolul receptorilor MT1 și MT2 în dezvoltarea axonilor, am măsurat mai întâi localizarea lor celulară în neuronii hipocampali disociați de șobolan prin co-imunocolorare pentru receptorul MT1 sau receptorul MT2 și Tuj1, un neuron-specific clasa a III-a -tubulină. Am descoperit că receptorul MT2 a fost distribuit uniform pe toate neuritele cu îmbogățirea vârfului în neuronii din stadiul 2, în timp ce un semnal puternic de fluorescență a fost detectat doar la vârful axonului polarizat, dar nu și în dendritele din neuronii din stadiul 3. Analiza cantitativă a arătat că receptorul MT2 a fost îmbogățit diferențial la vârfurile de neurite în neuronii din stadiul 2, în timp ce o îmbogățire mai exclusivă a vârfului axonului a receptorului MT2 a fost observată în neuronii din stadiul 3. Receptorul MT1 a avut o distribuție similară cu receptorul MT2 în etapa 2, dar nu a fost detectată nicio distribuție polarizată a receptorului MT1 în etapa 3. Specificitatea anticorpului receptorului MT2 a fost verificată prin experimentul de blocare a peptidei. Aceste rezultate sugerează că receptorul MT2 ar putea avea un rol potențial în diferențierea axonilor, un stadiu incipient al dezvoltării sinapselor.