Ghrelin receptor activation regulates hippocampal spine dynamics

Abstract

A capacidade de encontrar comida e de memorizar onde o alimento pode ser localizado novamente é crucial à sobrevivência. Portanto, a aprendizagem e a memória associadas à alimentação são processos críticos, em especial durante períodos de escassez de alimentos . A grelina é um peptídeo de 28 aminoácidos que estimula o apetite e que é produzida principalmente pelo estômago, sendo libertada na corrente sanguínea antes das refeições. A grelina exerce as suas funções através da ligação ao seu receptor, que é altamente expresso na hipófise, hipotálamo e hipocampo, e regula processos tais como o apetite, a ingestão de alimentos e a memória. O nosso laboratório mostrou que a grelina regula o tráfego sináptico de receptores de AMPA no hipocampo, produzindo modificações funcionais em sinapses excitatórias e aumentando a potenciação de longa duração (LTP), o correlato celular de aprendizagem e memória. Além disso, estudos anteriores mostraram que a grelina promove a formação das espículas dendriticas no hipocampo, e evidências preliminares indicam que a activação do receptor de grelina no hipocampo afecta a forma de espículas dendriticas. No entanto, o papel da grelina na regulação dinâmica das espículas dendríticas no hipocampo não é conhecido. Para testar se a activação do receptor de grelina afecta as espículas dendríticas no hipocampo, desenvolvemos duas abordagens diferentes: Para mimetizar níveis de grelina elevados de forma prolongada, como ocorre durante o jejum, incubámos fatias de hipocampo organotípicas com o agonista do receptor de grelina, durante 20 h, e analisámos globalmente a morfologia das espículas. Por outro lado, para estudar os efeitos de uma elevação nos níveis de grelina num período curto, como ocorre durante os picos diários de grelina associados às refeições, estimulámos fatias de hipocampo organotípicas com o agonista do receptor de grelina, e acompanhámos individualmente as espículas durante um período total de 50 min. Enquanto a incubação prolongada com o agonista do receptor de grelina não teve impacto na morfologia geral das espículas, a análise das espículas individuais incubadas com o agonista por um curto período de tempo revelou um aumento progressivo do volume da cabeça das espículas em fatias, que atingiu significância estatística 50 minutos após a sua aplicação. Curiosamente, descobrimos que o efeito da activação do receptor de grelina sobre o volume das espículas depende do tamanho inicial da espícula. Nas espículas pequenas, a activação do receptor de grelina leva a um aumento de volume maior do que nas espículas maiores, para as quais a activaçãodo receptor de grelina impede as espículas de contrair. Para ambas as populações de espículas, a activação do receptor de grelina aumenta a fracção de espículas que crescem e diminui a população de espículas que contraem ao longo do tempo. Mecanisticamente, verificou-se que a activação do receptor de grelina, quer em fatias de hipocampo organotípicas quer em neurónios do hipocampo em cultura, conduz a uma acumulação de cofilina fosforilada, um regulador do citoesqueleto de actina das espículas. Como um todo, este trabalho revelou pela primeira vez que a activação do receptor de grelina tem impacto na dinâmica das espículas de uma forma que é dependente do tamanho da espícula, e que se correlaciona com a fosforilação cofilina. Este efeito da ativação do receptor de grelina na dinâmica de espículas do hipocampo pode ter impacto na plasticidade estrutural das espículas em resposta à atividade, e pode estar na base dos efeitos da grelina no melhoramento cognitivo.

The ability to find food and to remember where food can be located again is crucial for survival. Therefore, learning and memory associated to feeding are critical processes, in particular during periods of food shortage. Ghrelin is a 28-aminoacid appetitestimulating peptide mainly produced by the stomach and released in the blood stream before meals. Ghrelin exerts its functions through binding to its receptor, the growth hormone segregatogue receptor type 1a (GSH-R1a), which is highly expressed in the pituitary, the hypothalamus and the hippocampus. Through activation of its receptor, ghrelin regulates processes such as appetite, food intake and memory. Our laboratory has shown that ghrelin regulates the synaptic trafficking of AMPA-receptors in the hippocampus, producing functional modifications at excitatory synapses and enhancing long-term potentiation (LTP), the cellular correlate of learning and memory. Moreover, previous studies showed that ghrelin promotes the formation of hippocampal dendritic spines, and preliminary evidence indicates that activation of the hippocampal GHS-R1a affects the shape of dendritic spines. However, the role of the ghrelin in regulating hippocampal dendritic spine dynamics remains unclear. To test whether the activation of the GHS-R1a affects hippocampal dendritic spines we developed two different approaches: To mimic prolonged upregulated ghrelin levels, as occurs during fasting, organotypic hippocampal slices were incubated with the GHS-R1a agonist for 20 h, and overall spine morphology was analysed. On the other hand, to study short-term effects of ghrelin, expected to occur during the daily peaks in ghrelin associated with meals, we stimulated organotypic hippocampal slices with the GHS-R1a agonist, and followed individual spines for a total period of 50 min. Whereas long-term incubation with the GHS-R1a agonist did not have an impact on overall spine morphology, short-term incubation and time-lapse analysis of single spines revealed a progressive increase in spine head volume in slices incubated with the GHS-R1a agonist, which reached statistical significance 50 min after its application. Interestingly, we find that the effect of GHS-R1a activation on spine volume depends on the initial size of spines. In small spines activation of the GHSR1a leads to larger volume increase than in larger spines, for which GHS-R1a activation prevents spine shrinkage. For both populations of spines GHS-R1a activation increases the fraction of spines that grow and decreases the population of spines that shrink throughout time. Mechanistically, we found that GHS-R1a activation either in organotypic hippocampal slices or in cultured hippocampal neurons leads toan accumulation of phosphorylated cofilin, a major regulator of the spine actin cytoskeleton. Altogether, this work revealed for the first time that GHS-R1a activation impacts spine dynamics in a manner that is dependent on spine size, and that correlates with cofilin phosphorylation. This effect of GHS-R1a activation on hippocampal spine dynamics may impact spine structural plasticity in response to activity, and may underlie the memory-enhancing effects of ghrelin.