der Medizinischen Fakultät im Emil-Fischer-Centrum

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Professur für Biochemie und Medizinische Molekularbiologie

Leitung: Prof. Dr. Ralf Enz

Synaptische Signalkomplexe im zentralen Nervensystem

Das zentrale Nervensystem besteht aus über 100 Milliarden Nervenzellen, die unter sich eine Vielzahl von Kontakten (Synapsen) ausbilden, und ist damit das komplexeste Organ des Menschen. Die Aktivität dieses neuronalen Netzwerkes wird durch ein koordiniertes Zusammenspiel erregender und inhibierender Neurone generiert. Auf molekularer Ebene wird die Balance zwischen Erregung und Inhibierung durch ein räumlich und zeitlich geordnetes Zusammenspiel synaptischer Proteine kontrolliert. Bei diesem Prozeß ist vor allem eine korrekte Anzahl von Ionenkanälen und Neurotransmitterrezeptoren, sowie deren Regulation durch Kinasen, Phosphatasen und weiterer Enzyme von grundlegender Bedeutung. Ankerproteine fixieren die Kanäle und Rezeptoren am synaptischen Cytoskelett und Adapterproteine stellen eine räumliche Nähe zwischen funktionell zusammenwirkenden Proteinen sicher. Auf diese Weise bilden sich synaptische Signalkomplexe, die Menge, Lokalisierung und Aktivität von Ionenkanälen und Neurotransmitterrezeptoren kontrollieren und damit Qualität und Stärke der synaptischen Signalübertragung regulieren.

Synaptische Signalkomplexe sind dynamische Strukturen, die in Abhängigkeit des physiologischen Zustandes eines Neurons assemblieren bzw. dissoziieren. Störungen in Aufbau und Regulation dieser Proteinkomplexe kann zu neuronalen Fehlfunktionen und pathophysiologischen Prozessen, wie z.Bsp. Nachtblindheit, Epilepsie, Schizophrenie, Parkinson, Formen von Autismus und chronischen Glaukomerkrankungen führen. Somit repräsentieren synaptische Signalkomplexe interessante Zielstrukturen für neue Therapieansätze.


1. Aufbau, Expression, Struktur und Funktion synaptischer Signalkomplexe

Wir untersuchen Aufbau, Expression, Struktur und Funktion synaptisch lokalisierter Signalkomplexe, die mit Rezeptoren für den erregenden Neurotransmitter Glutamat, die inhibierenden Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glycin, sowie mit weiteren Ionenkanälen (spannungsgesteuerte Chloridkanäle - ClC, epitheliale Natriumkanäle - ENaC) assoziiert sind. Die Abbildung gibt eine Übersicht über von uns identifizierte Proteine, die an intrazelluläre Domänen von metabotropen (G-Protein gekoppelten) Glutamatrezeptoren und GABAc Rezeptoren binden.

Metabotrope Glutamatrezeptoren (mGluR) und GABAc Rezeptoren (GABAcR) sind durch mehrere Transmembrandomänen (schwarze senkrechte Rechtecke) in der Zellmembran (blaues horizontales Rechteck) verankert. An der Membranunterseite befinden sich intrazelluläre Rezeptordomänen (rot), die Bindestellen für cytosolische Proteine enthalten. PNUTS interagiert gleichzeitig mit GABAcR und Proteinphosphatase 1 (PP1C) und ZIP Proteine/p62 binden gleichzeitig an GABAcR und PKC-ζ. In beiden Fällen werden auf diese Weise die katalytischen Aktivitäten der Enzyme in räumlicher Nähe zum Rezeptor fixiert. Im Gegensatz zu GABAcR binden mGluRs direkt an PP1C, sowie an die Cytoskelett-assoziierten Bande 4.1 Proteine, Filamin-A (FLNA) und an Proteine der zellulären SUMOylierungskaskade (RanBPM, SUMO Ligasen).


Wir lokalisieren interagierende Proteine im zentralen Nervensystem (Netzhaut) durch immunhistochemische Techniken, kartieren an den Bindungen beteiligte Proteindomänen durch eine Kombination molekularbiologischer und proteinchemischer Methoden, und analysieren deren dreidimensionale Struktur durch bioinformatische (computer based homology modelling, molecular dynamics simulations) und biophysikalische Techniken (CD und NMR Spektroskopie).

Als Ergebnis dieser Studien postulieren wir die Existenz trimerer synaptischer Signalkomplexe, bestehend aus GABAc Rezeptoren / PNUTS / PP1C, bzw. aus GABAc Rezeptoren / ZIP Proteinen / PKC-ζ. Die enzymatischen Aktivitäten der Phosphatase und Kinase regulieren den Phosphorylierungsgrad und die Oberflächenexpression der GABAc Rezeptoren. Weitere Signalkomplexe bestehen aus metabotropen Glutamatrezeptoren, PP1C und SUMO Proteinen und regulieren die Oberflächenkonzentration und intrazelluläre Signalkaskaden dieser Neurotransmitterrezeptoren.

Die Abbildung zeigt ausgewählte Daten zur Interaktion der Proteinphosphatase 1 mit metabotropen Glutamatrezeptoren in Bipolarzellen der Netzhaut.

Links: Ein vertikaler Kryostatschnitt der Netzhaut wurde mit Proteinphosphatase 1 (PP1γ1) spezifischen Antikörpern (grün) und einem Immunserum gegen Stäbchenbipolarzellen (rot) inkubiert. Die Doppelbelichtung des Schnittes zeigt die Expression von PP1γ1 in beiden synaptischen Schichten (OPL, IPL) an Dendriten und Axonterminalien der Bipolarzellen (gelb). Mitte: Metabotrope Glutamatrezeptoren (mGluR) interagieren mit rekombinantem (E.coli) und nativem PP1γ1, jedoch nicht mit PKC-ζ in GST pull-down Experimenten. Rechts: Elektrostatisches Potential der PP1γ1 Enzymoberfläche im Komplex mit dem PP1γ1-Bindemotiv KSVTWY aus mGluR7b. Für weitere Details siehe: Croci et al., 2003 J Biol Chem 278:50682-50690; Meiselbach et al., 2006 Chemistry & Biology 13:49-59.


2. Synaptic signal complexes and neurodegeneration

Als ein wichtiger Auslöser neurodegenerativer Prozesse wird eine erhöhte Konzentration des erregenden Neurotransmitters Glutamat diskutiert, ein Prozess, der als Exzitotoxizität bezeichnet wird. Bei chronischen Glaukomerkrankungen könnten durch diesen Mechanismus Ganglienzellen der Retina absterben, wodurch der Sehnerv degeneriert und die Patienten erblinden. Während ausführliche Studien über den Zusammenhang zwischen Ganglienzelltod und ionotropen Glutamatrezeptoren (vor allem des NMDA-Typs) vorliegen, ist die Rolle der metabotropen Glutamatrezeptoren in neurodegenerativen Erkrankungen wenig untersucht.

Daher analysieren wir die retinale Genexpression in einem Mausmodel für chronische Glaukome, bei dem der optische Nerv durch apoptotische Mechanismen retinaler Ganglienzellen degeneriert. Im Vergleich zu Kontrolltieren fanden wir eine signifikante Überexpression verschiedener metabotropen Glutamatrezeptoren und epithelialer Natriumkanäle (ENaC), während die Expression von GABAc Rezeptoren im Verlauf der Apoptose unverändert blieb. Durch den Einsatz von DNA-Chip Analysen und subtraktiven Hybridisierungstechniken identifizierten wir weitere Proteine, die in glaukomatösen Netzhäuten spezifisch reguliert sind, und daher am Absterben retinaler Ganglienzellen beteiligt sein könnten.

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