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Bibliographic Metadata

Title
Multi-omics targeting neuronal complexity: GABAA receptor diversity and its implications in spatial memory / submitted by Edit Szodorai
Additional Titles
"Multi-omics" die neuronale Komplexität anvisieren: GABAA Rezeptor Diversität und dessen Auswirkung auf das räumliche Gedächtnis
AuthorSzodorai, Edit
Thesis advisorHarkany, Tibor
Published2018
Description130 Blatt
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2018
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionOctober 2018
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)GABAA Rezeptor / räumliches Gedächtnis / Rezeptorkomplexe / single-cell transcriptomics / proteomics
Keywords (EN)GABAA receptor / spatial memory / receptor complexes / single-cell transcriptomics / proteomics
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-18806 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
Files
Multi-omics targeting neuronal complexity: GABAA receptor diversity and its implications in spatial memory [8 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Höhere neuronale Funktionen wie Kognition entstehen im Zentralnervensystem durch präzis orchestrierte Netzwerksaktivität einer Vielzahl von Zelltypen. Das ultimative Ziel der Neurowissenschaften ist es die zelluläre und molekulare Heterogenität des Nervensystems zu entschlüsseln, sowie die funktionelle Manifestation räumlich und zeitlich aufgelöster molekularer Phenotypen zu verstehen. Neue technologische Innovationen ermöglichen das Entschlüsseln der neuronalen Komplexität mithilfe von Transkriptom- und Proteomanalysen, die Einzelzell RNA und Proteinprofile erstellen. Das neuronale Netzwerk des Hippocampus, der Hirnregion die für das räumliche Lernen und die Gedächtnisbildung verantwortlich ist, ist geprägt durch eine feine Balance zwischen der Aktivität exzitatorischer und inhibitorischer Neuronen. Inhibitorische Neurotransmission ist hauptsächlisch vermittelt durch Typ A Gamma-Amino-Buttersäure Rezeptoren (GABAAR). GABAAR kommen in einer ausgesprochenen Vielfalt vor, da Rezeptorpentamere aus einem Repertoire von 19 verschiedenen Untereinheiten gebildet werden können. Die Zusammensetzung der Untereinheiten bestimmt wiederum die Funktion und das pharmakologische Profil des Rezeptors. Daher ist es von enormer Wichtigkeit für die Grundlagenforschung, sowie die translationale Forschung, unterschiedliche GABAAR-subtypen zu identifizieren und zu charakterisieren. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit (i) der GABAAR-diversität im Hippocampus und (ii) GABAAR-subtypen die eine entscheidende Rolle für das räumliche Langzeitgedächtnis spielen. Hierzu werden neben diversen traditionellen Methoden auch innovative „omic“ tools angewendet. In der Einleitung werden Transkriptom- und Proteomanwendungen in der Neurowissenschaft im Überblick dargestellt, mit Betonung auf deren Anwendung auf die Untersuchung der GABAA Rezeptor Diversität. In der ersten Publikation konnten wir eine Erhöhung der 1 und 5 Untereinheiten nach erfolgreichem Training im mehrfachen T- Labyrinth nachweisen. Weiter ist die Kolokalisation dieser beiden Untereinheiten in den Körner- und Pyramidenzellschichten im Gyrus Dentatus (DG) und in der CA1 Subregion erhöht, was suggeriert, dass in Folge des Experimentes Komplexe, die beide Untereinheiten beinhalten, vermehrt gebildet wurden. Dies ist konstistent mit der Beobachtung, dass die Deletion der 1 Untereinheit Lerndefizite verursacht. In der zweiten Studie behandeln wir zellspezifische Rezeptorheterogenität, wobei traditionelle Methoden und Einzelzell-Transkriptom-analyse („Single-cell transcriptomics“) verwendet wurden. Exzitatorische Zellen exprimieren viele Untereinheitsgene, was ein kombinatorisches Kodieren verschiedener „inputs“ ermöglicht wohingegen Interneuronen eine kleinere Palette an GABAA Rezeptorsubtypen exprimieren. Zusätzlich zeigen wir, dass eine erhöhte GABAA Rezeptor 1 Untereinheit Expression im DG mit vebesserter Leistung im Radialen Labyrinth (RAM) korreliert. Dies unterstützt deren Schlüsselrolle in der interneuronalen Netzwerkaktivität im Hilus bei der Bildung des räumlichen Referenzgedächtnis. Schlussendlich zeigen wir zusammenfassend wie neuromodulatorische Prozesse hippocampale GABAA Rezeptoren regulieren und wodurch diese Lern- und Gedächntisprozesse beeinflussen können. Zusammenfassend wurden in der vorliegenden Dissertation proteomische und transkriptomische Ansätze verwendet um die Schlüsselrolle diverser hippocampaler GABAA Rezeptorsubtypen im Referenzgedächtnis mit Einzelzellauflösung zu untersuchen. Weiter wird das Potenzial dieser Vorgehensweise, unter Verwendung von moderner Methodik, für das bessere Verständnis neuronaler und molekularer Diversität generell diskutiert.

Abstract (English)

The ultimate goal of neuroscientists is to reveal cellular and molecular heterogeneity of the nervous system and to understand functional manifestations of spatially and temporally resolved molecular phenotypes. This is because high-order neuronal functions are governed by various cell types wired into intricate networks in the central nervous system. Technological innovations addressing neuronal complexity have been arising rapidly in the fields of transcriptomics and proteomics to decipher RNA and protein profiles up to single-cell resolution. Network operations in the hippocampus, the brain region which is crucial in spatial learning and memory formation, are shaped by a critical balance in activity of excitatory and inhibitory neurons. Inhibitory neurotransmission is prominently mediated by gamma aminobutyric acid (GABA) signaling through GABA type A receptors (GABAARs). GABAARs exist with an exceptional heterogeneity since receptor-pentamers are possibly recruited from a panel of 19 different subunits. Subunit composition determines receptor function and pharmacological profile, thus, characterization of distinct GABAAR subtypes is crucial in both basic and translational research. The present thesis addresses (i) hippocampal GABAAR diversity and (ii) GABAAR subtypes which play key roles in long-term spatial memory applying a variety of traditional and novel “omic” tools. In the introduction I give an overview of proteomic and transcriptomic applications in neuroscience with an emphasis on their advantages in research targeting GABAAR diversity. In the first study presented in the “Results” section, we disclose that levels of hippocampal GABAAR complexes containing the 1 and 5 subunits are elevated following spatial memory formation in the multiple T-maze. In parallel, we show increased colocalization of the two subunits in granule and pyramidal cell layers of the dentate gyrus (DG) and CA1 hippocampal subregions, respectively, which indicates that training might induce formation of complexes containing both subunits. Accordingly, genetic deletion of the 1 subunit is shown to evoke learning deficits. In the second study, we review cell-type specific GABAAR heterogeneity in the hippocampus with joint presentation of subunit expression patterns revealed by immunohistochemistry and single-cell transcriptomics. We highlight that excitatory neurons coexpress many subunit genes allowing combinatorial coding of diverse inhibitory inputs while interneuron classes seem to be restricted on GABAAR subtypes. Additionally, we indicate that increased levels of the GABAAR 1 subunit in the DG correlates with improved performance in the radial arm maze (RAM) supporting a crucial role of hilar interneuron network activity in formation of spatial reference memory. Moreover, we review neuromodulatory actions on hippocampal GABAARs pointing out possible scenarios for expressional regulation which in turn, might affect memory processes. In conclusion, the current thesis, applying diverse proteomic and transcriptomic approaches, deciphers pivotal aspects of distinct GABAAR subtypes in hippocampus-dependent spatial memory and interrogates receptor heterogeneity with cellular resolution. Moreover, by providing an overview in recent methodological innovations, it discusses future potential of multi-omic integration to understand neuronal diversity and its applications in GABAAR research.

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