Regulation der Exzitatorischen Aminosäure Transporter EAAT1, EAAT2, EAAT3 und EAAT5 durch die Serum- und Glukokortikoid-abhängige Kinase SGK und die Ubiquitinligase Nedd4-2

Abstract

Glutamat ist der häufigste Neurotransmitter des menschlichen Gehirns und an zahlreichen exzitatorischen Verschaltungen beteiligt. Gleichzeitig jedoch induziert Glutamat in hohen Konzentrationen neurotoxische Vorgänge in präsynaptischen und postsynaptischen Neuronen. Die Konstanthaltung gleich bleibend niedriger extrazellulärer Glutamatkonzentrationen im Gehirn ist die Hauptaufgabe der Familie der Exzitatorischen Aminosäure Transporter EAAT. Die EAAT sind überwiegend glial, neuronal und retinal exprimiert. Dysregulation und –funktion dieser EAAT wurden in der Pathophysiologie zahlreicher neurodegenerativer Erkrankungen beschrieben, z.B. bei der ALS, der Parkinson-Erkrankung und der Alzheimer-Erkrankung.

Die vorliegende Arbeit untersucht nun anhand vorwiegend elektrophysiologischer Methoden die posttranskriptionelle Regulation der EAAT durch die Serum- und Glukokortikoid- abhängige Kinase (SGK), die Proteinkinase B (PKB) und die Ubiquitinligase Nedd4-2. Es konnten dabei weitergehende Aufschlüsse über die Rolle der Serum und Glukokortikoid-induzierten Kinase SGK auf die Regulation grundlegender Zellfunktionen gewonnen werden: 1. SGK1 stimuliert die Glutamattransporter EAAT1, EAAT2, EAAT3 und EAAT5 2. SGK2 stimuliert EAAT2 3. SGK3 stimuliert die Glutamattransporter EAAT1, EAAT2, EAAT3 und EAAT5 4. PKB stimuliert EAAT2, EAAT3 und EAAT5 5. Die Ubiquitinligase Nedd4-2 hemmt den Transport des EAAT1 und EAAT2 6. Die kinetischen Eigenschaften des EAAT1 werden durch SGK nicht beeinflusst. 7. SGK1 und EAAT3 sind retinal kolokalisiert.

Die genaue Funktionsweise der SGK Regulation ist an den verschiedenen EAAT unterschiedlich. Eine direkte Phosphorylierung des Transporters konnte nur bei EAAT1 nachgewiesen werden. Dort wurde auch die inhibitorische Wirkung der SGK auf die Ubiquitinligase Nedd4-2 gezeigt. Nedd4-2 inhibiert die Transporter EAAT1 und EAAT2, obwohl eine direkte Ubiquitinierung aufgrund des fehlenden PY-Motivs eher unwahrscheinlich ist. SGK kann Transporter auch durch Verminderung des inhibitorischen Nedd4-2 Effekts regulieren. Dieser Mechanismus ist vor allem bei EAAT2 von Bedeutung, da dieser Transporter keine SGK Phosphorylierungs-Site besitzt. SGK, PKB und Nedd4-2 sind an der Regulation des Glutamatstoffwechsels im menschlichen Gehirn und damit auch an der Pathopyhsiologie neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt. Insulin-like growth factor (IGF) und brain derived nerve growth factor (BDNF), die beide in vorausgegangenen Studien einen positiver Effekt auf den Verlauf dieser Erkrankungen zeigen, wirken via des PI3-Kinase Signalwegs stimulierend auf SGK und PKB.

Abschließend lässt sich sagen, dass SGK/PKB und Nedd4-2 eine entscheidende Rolle in der Regulation des wichtigsten Neurotransmittersystems des menschlichen Gehirns spielen. SGK/PKB vergrößert dabei die Glutamataufnahme und Clearance aus dem synaptischen Spalt und wirkt damit neuroprotektiv. Nedd4-2, das den Glutamat Transport von EAAT1 und EAAT2 verringert, hat genau den gegenläufigen Effekt.

Glutamate, as the most important neurotranmitter of the mammalian brain, is also neruotoxic. Thus, the homestasis of extracellular glutamate has to be regulated very strictly. The clearance of Glutamate out of the synaptic left is affected by the Excitatory Amino Acid Transporters EAAT. These transporters play a major role in the pathophysiology of neurodegenerative disease, such as Parkinson disease, Alzheimer disease and ALS. The present study shows a novel mechanism of regulation of EAAT by the Serum and Glucocorticoid inducible kinase SGK, the protein kinase PKB and the ubiquitin ligase Nedd4-2. 1. SGK1 stimulates EAAT1, EAAT2, EAAT3 and EAAT5 2. SGK2 stimulates EAAT2 3. SGK3 stimulates EAAT1, EAAT2, EAAT3 and EAAT5 4. PKB stimulates EAAT2, EAAT3 and EAAT5 5. Nedd4-2 inhibits EAAT1 and EAAT2 6. the regulation of EAAT1 by SGK is not affected by alteration of its kinetics properties 7. SGK1 and EAAT3 are retinal colocalized

The mechanism of regulation is different at the different isoforms of EAAT. The direct phsophorylation by SKG could be found only at EAAT1. EAAT1 and EAAT2 are inhibited by Nedd4-2. The Nedd4-2 effect is downregulated by SGK. This indirect stimulation is important for the regulation of EAAT isoforms, which do not have a SGK phsophorylation site in its protein. IGF and BDNF have positive clinical influence on neurodegenerative diseases. Both are involved in the regulation of SGK and PKB by the PI3 kinase pathway. In conclusion, the present study demonstrates a novel mechanism in the regulation of cellular glutamate uptake. It is shown that SGK, PKB and Nedd4-2 influence the EAAT function and this effect may participate in the pathophysiology of neurodegenerative diseases.