From c-Fos to MMP-9: In control of synaptic plasticity to produce healthy and diseased mind, a personal view

Postepy Biochem. 2018 Oct 15;64(2):101-109. doi: 10.18388/pb.2018_119.

Abstract

c-Fos is a component of AP-1 transcription factor. Three lines of evidence support pivotal role of c-Fos in learning and memory: (i) learning experience markedly enhances its expression; (ii) blocking od c-Fos impairs, while optogenetic activation of c-Fos expressing neurons supports learning and memory; (iii) c-Fos/AP-1 gene targets in activated neurons, encoding tissue inhibitor of metalloproteinases-1 (TIMP-1) and matrix metalloproteinase 9 (MMP- 9) play a major role in synaptic plasticity that underlies learning and memory. TIMP-1 and MMP-9 compose an extracellularly operating enzymatic system active locally around excitatory synapses to modulate their morphology, molecular content and efficacy. Animal studies have implicated MMP-9 in a variety of neuropsychiatric conditions, e.g., epileptogenesis, autism spectrum disorders, development of addiction, and depression. In humans, MMP-9 contributes to epilepsy, alcohol and cocaine addiction, Fragile X Syndrome, schizophrenia and bipolar disorder. In aggregate, all those conditions can be considered as reflecting either healthy or diseased mind.

c-Fos jest składnikiem czynnika transkrypcyjnego AP-1. Trzy linie dowodów wspierają kluczową rolę c-Fos w uczeniu się i pamięci: (i) uczenie się pobudza jego ekspresję; (ii) blokowanie c-Fos upośledza, podczas gdy optogenetyczna aktywacja neuronów wyrażających c-Fos wspomaga uczenie się i pamięć; (iii) docelowe geny dla c-Fos/AP-1 w pobudzonych neuronach, kodują tkankowy inhibitor metaloproteaz-1 (TIMP-1) oraz metaloproteazę macierzową 9 (MMP-9), które to białka odgrywają kluczową rolę w plastyczności synaptycznej, leżącej u podstaw uczenia się i pamięci. TIMP-1 i MMP-9 tworzą działający zewnątrzkomórkowo układ enzymatyczny, aktywny miejscowo wokół synaps pobudzających i modulujący ich morfologię, skład biochemiczny oraz efektywność. Badania na zwierzętach sugerują zaangażowanie MMP-9 w różnych stanach neuropsychicznych, np. rozwoju padaczki, zaburzeniach ze spektrum autyzmu, rozwoju uzależnienia i depresji. U ludzi MMP-9 przyczynia się do padaczki, uzależnienia od alkoholu i kokainy, zespołu łamliwego chromosomu X, schizofrenii i zaburzeń afektywnych dwubiegunowych. Łącznie wszystkie te sytuacje można uznać za przykładowe dla zdrowego lub chorego umysłu.

MeSH terms

  • Animals
  • Humans
  • Learning*
  • Matrix Metalloproteinase 9 / metabolism*
  • Memory
  • Mental Health*
  • Neuronal Plasticity*
  • Proto-Oncogene Proteins c-fos / metabolism*
  • Synapses / metabolism*

Substances

  • Proto-Oncogene Proteins c-fos
  • Matrix Metalloproteinase 9