Molekulare Determinanten der Regulation von Kainat- und NMDA-Rezeptoren

Abstract

Ionotrope Glutamatrezeptoren sind die vorherrschenden exzitatorischen Neurotransmitterrezeptoren im Zentralnervensystem der Wirbeltiere. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Regulation von Kainat- und NMDA-Rezeptoren. Kürzlich wurde gezeigt, dass eine Genvariante der zu den Kainat-Rezeptoren gehörenden Glutamatrezeptoruntereinheit GluR6 signifikant mit Autismus assoziiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Autismus-assoziierte Mutation M836I in GluR6 eine Funktionszunahme (gain-of-function mutation) im heterologen Oozyten-Expressionssystem zeigt. Koexpression von GluR6(M836I) mit Rab11 führte zu einer signifikanten Steigerung der Stromamplituden von GluR6(M836I). Auf GluR6wt-Ströme hatte Rab11 keinen Effekt. Koexpressionsexperimente von Rab5 mit GluR6wt ergaben eine signifikante Verminderung der Stromamplituden von GluR6wt. Auf GluR6(M836I) hatte Rab5 keinen Effekt. Das kleine G-Protein Rab11 scheint für die Membranreinsertion von GluR6(M836I) wichtig zu sein, während Rab5 vermutlich eine zentrale Stellung bei der Internalisierung von GluR6wt einnimmt, was die Funktionszunahme erklärt. Somit schaffen meine Ergebnisse eine funktionelle Basis für die postulierte Verbindung zwischen GluR6 und Autismus. Vor kurzem wurde gezeigt, dass GluR6 durch Serum- und Glukokortikoid- induzierte Kinasen (SGK1-3) stimuliert wird. Die genaue Wirkweise der SGKinasen auf die Rezeptoren ist aber unbekannt. Deshalb wurden die potentiellen Modulatorproteine Grb2 (growth factor receptor-bound 2), Yotiao (A-kinase anchoring protein), RIL (reversion-induced LIM protein), mTOR (mammalian target of rapamycin) und NDRG2 (N-myc downstream-regulated gene 2) auf ihren möglichen regulatorischen Effekt auf die GluR6-Aktivität getestet. Grb2 und Yotiao steigerten die GluR6-Aktivität, während RIL, mTOR und NDRG2 (in Kombination mit SGK1) einen hemmenden Effekt hatten. Da SGKinasen und die verwandte PKB eine Reihe von Ionenkanälen regulieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Wirkung auf den Kainat-Rezeptor GluR7 und NMDA-Rezeptoren getestet. Während SGK2 und PKB die GluR7-Funktion inhibieren, stimuliert SGK3 GluR7 im heterologen Expressionssystem. Die Koexpression von NMDAR1-1a/NR2B mit SGK1 und SGK3 ergab eine steigernde Wirkung auf die NMDAR-Ströme. Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Ansatzpunkte für das molekulare Verständnis von Autismus gewonnen werden. Zudem wurden neue, physiologisch potenziell bedeutsame Modulatoren der Kainat-Rezeptoren GluR6 und GluR7 und der NMDA-Rezeptoren identifiziert.

Ionotropic glutamate receptors are the prevalent excitatory neurotransmitter receptors in the central nervous system of vertebrates. The present study is aimed to uncover novel regulatory mechanisms of kainate receptors (KARs) and NMDA receptors (NMDARs). Recently, it has been demonstrated that a gene variant of the KAR subunit GluR6 is significantly associated with autism. In this study it could be shown that the autism associated mutation M836I in GluR6 is a gain-of-function-mutation in the heterologous oocytes expression system. Coexpression of GluR6(M836I) with Rab11 led to a significant increase of GluR6(M836I) currents, whereas there was no effect of Rab11 on GluR6wt currents. Heterologous coexpression of Rab5 with GluR6wt resulted in a significant decrease of currents of GluR6wt but not of GluR6(M836I) currents. Therefore, the small G-protein Rab11 may be important for membrane re-insertion of GluR6(M836I), whereas Rab5 plays an important role in internalization of GluR6wt explaining the gain-of-function effect. The data presented provide novel insights into the molecular basis of the postulated linkage of GluR6(M836I) with autism. Recently, it has been shown that GluR6 is stimulated by serum- and glucocorticoid- induced kinases (SGK1-3). However, the detailed molecular mechanisms underlying these phenomena are unknown. Therefore, the potential modulatory proteins Grb2 (growth factor receptor-bound 2), Yotiao (A-kinase anchoring protein), RIL (reversion-induced LIM protein), mTOR (mammalian target of rapamycin) and NDRG2 (N-myc downstream-regulated gene 2) were tested on their possible regulatory effect on GluR6 activity. Grb2 and Yotiao enhanced GluR6 activity, whereas RIL, mTOR and NDRG2 (in combination with SGK1) had an inhibitory effect. As SGKinases and the closely related PKB regulate several ion channels, their effects on kainate receptor GluR7 and NMDA receptors were tested in this study. Whereas SGK2 and PKB inhibit GluR7 function, SGK3 stimulates GluR7 in the heterologous expression system. Coexpression of NMDAR1-1a/NR2B with SGK1 and SGK3 resulted in stimulation of NMDAR function. In this study, I describe new aspects of the molecular basis of autism. Moreover, new modulators of the kainate receptors GluR6 and GluR7 and of NMDA receptors were identified, which may be of physiological importance.