Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2009.

Freie Universiẗat, Diss., 2004--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) sind ligandengesteuerte Ionenkanäle und vermitteln den Großteil der exzitatorischen Signalweiterleitung im gesamten zentralen Nervensystem. Darüber hinaus spielen iGluRs eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Entwicklung und Funktion, einschließlich Lernprozessen und Gedächtnisbildung. Da eine Fehlfunktion dieser Rezeptoren mit zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen verbunden ist, stellen iGluRs zudem wichtige Zielproteine für die pharmakologische Wirkstoffentwicklung dar. Im Allgemeinen wird zwischen drei Untergruppen ionotroper Glutamatrezeptoren unterschieden, welche aufgrund ihrer Selektivität für einen bestimmten Liganden benannt sind: AMPA-, Kainate-, und NMDA-Rezeptoren. Die iGluRs jeder dieser Untergruppen bestehen in der Regel aus vier Untereinheiten, welche wiederum aus vier semiautonomen Domänen aufgebaut sind: (i) die aminoterminale Domäne (ATD), (ii) die Ligandenbindedomäne (LBD), (iii) die Transmembrandomäne (TMD) und (iv) die carboxyterminale Domäne (CTD). Die Ligandenbindedomäne, welche wiederum aus zwei Lobes (D1 und D2) besteht und in ihrer Struktur einer Muschelschale ähnelt, vollzieht bei Bindung eines Neurotransmitters eine Konformationsänderung, wobei sie sich um den gebundenen Agonisten herumschließt. Diese Konformationsänderung der LBD wird auf die Transmembrandomäne, welche den membranüberspannenden Ionenkanal ausbildet, übertragen, was in einer Umlagerung der Transmembranhelices und infolgedessen der Öffnung des Ionenkanals resultiert. Die Konformationsänderung der LBD ist demnach die treibende Kraft, welche dem Öffnen und Schließen des Ionenkanals zugrunde liegt. Aus diesem Grund stellt die isolierte Ligandenbindedomäne, welche als lösliches Protein hergestellt werden kann, ein etabliertes Modellsystem zur Untersuchung der strukturellen und funktionellen Zusammenhänge innerhalb des Funktionsmechanismus ionotroper Glutamatrezeptoren dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Konformationsdynamiken der in Escherichia coli-Bakterien exprimierten isolierten Ligandenbindedomänen der drei homologen Untergruppen – AMPA-, Kainate- und NMDA-Rezeptoren – sowohl als Monomer als auch als Dimer untersucht. Hierbei wurden im ungebundenen Apo-Zustand der Proteine signifikante Kinetiken im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden festgestellt, welche bei Bindung eines Agonisten sowie bei Dimerisierung erheblichen Veränderungen zeigen. Darüber hinaus wurde allosterische Kommunikation zwischen den LBDs der NMDA-Untergruppe untersucht, wobei in der Tat ein deutlicher allosterischer Effekt in Bezug auf die Konformationsdynamiken der Proteine gemessen werden konnte. Weiterhin wurde ein PET-FCS-basiertes Verfahren zur Messung der Dissoziationskonstante der Bindung eines Liganden an die LBD eines AMPA-Rezeptors entwickelt. Zuletzt wurde außerdem ermittelt, ob ein Unterschied zwischen vollen und partiellen Agonisten hinsichtlich ihres Einflusses auf die Konformationsdynamiken einer AMPA-Rezeptor LBD besteht, was nachgewiesenermaßen nicht der Fall ist. Alle Messungen wurden auf Einzelmolekülebene auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden basierend auf Fluoreszenzfluktuationen unter Verwendung des photoinduzierten Elektronentransfers (PET) in Kombination mit Korrelationsspektroskopie (PET-FCS) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden PET-basierte Fluoreszenzsonden entwickelt, um Konformationsänderungen auf einer räumlichen Skala von einem Nanometer zu detektieren. Durch die Experimente innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die PET-FCS-Methode eine vielversprechende Ergänzung zu allen bisher bestehenden Methoden zur Untersuchung der Konformationsdynamiken der Ligandenbindedomäne ionotroper Glutamatrezeptoren darstellt und daher eine aussichtsreiche Möglichkeit zur Erweiterung des zukünftigen Verständnisses der Funktionsweise von iGluRs bietet. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate most of the excitatory signal transmission throughout the central nervous system. In addition, iGluRs play a crucial role in neural development and function, including learning and memory. Since receptor malfunction contributes to a variety of neurological diseases, iGluRs are key targets for drug development in pharmacology. Furthermore, ionotropic glutamate receptors are divided into three major subgroups, all of which are named due to their selectivity for a certain ligand: AMPA, Kainate and NMDA. Members of each subgroup usually consist of four subunits, which in turn comprise four semi-autonomous domains: (i) the amino terminal domain (ATD), (ii) the ligand binding domain (LBD), (iii) the transmembrane domain (TMD), and (iv) the carboxy terminal domain (CTD). Upon binding a neurotransmitter the ligand binding domain, which adopts a clamshell-like structure consisting of two domains (D1 and D2), undergoes a conformational change by closing around the ligand and trapping it within the binding cleft. The conformational change of the LBD is then transferred to the transmembrane domain which forms the membrane-spanning ion channel, which results in rearrangement of the transmembrane helices and consequently in opening of the ion channel. Accordingly, the conformational change of the LBD is the driving force underlying opening and closing of the ion channel. The isolated ligand binding domain can be produced as soluble protein and represents a well-established model system for exploring structural and functional relationships within the functional mechanism of ionotropic glutamate receptors. As part of this thesis, ligand binding domains of all three homologues – AMPAR, KainateR and NMDAR – have been expressed in Escherichia coli bacterial cells and conformational dynamics of the proteins both as monomer and as dimer have been investigated. In the unbound apo state of the proteins, significant kinetics have been observed in the nanosecond to microsecond time range which undergo considerable changes upon agonist binding or dimerization. In addition, allosteric communication between LBDs of the NMDA subgroup has been investigated, whereby a distinct allosteric effect regarding the conformational dynamics of the protein could actually be measured. Furthermore, a PET-FCS-based tool for measuring the dissociation constant of a ligand for an AMPA receptor LBD has been developed. Finally, it has been investigated whether full and partial agonists have different effects on the conformational dynamics of an AMPA receptor LBD, which has been found clearly not to be the case. All measurements have been performed at the single-molecule level on time scales from nanoseconds to milliseconds based on fluorescence fluctuations using photoinduced electron transfer (PET) fluorescence quenching in combination with correlation spectroscopy (PET-FCS). To this end, PET-based fluorescence probes have been engineered to monitor conformational changes on the one-nanometer scale. The experiments that have been carried out within this thesis introduce PET-FCS as a promising tool to complement all previously existing methods for studying conformational dynamics of ionotropic glutamate receptor ligand binding domains and hence offer a promising opportunity to expand future understanding of how iGluRs work.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2001.

Die Entwicklung hochauflösender Fluoreszenzmikroskopiemethoden hat die Lichtmikroskopie revolutioniert. Einerseits ermöglicht die höhere erzielte räumliche Auflösung die Abbildung von Strukturen, die deutlich unterhalb der beugungsbedingten Auflösungsgrenze liegen. Andererseits erhält man durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopiemethoden wie dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Informationen, welche man für quantitative Analysen heranziehen kann. Aufgrund der sich dadurch bietenden neuen Möglichkeiten, hat sich die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie rasant entwickelt und kommt mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer und medizinischer Fragestellungen zum Einsatz. Trotz dieses Erfolgs ist jedoch nicht zu verleugnen, dass auch diese neuen Methoden ihre Nachteile haben. Dazu zählt die Notwendigkeit relativ hoher Laserleistungen, welche Voraussetzung für hohe Auflösung ist und bei lebenden Proben zur Photoschädigung führen kann. Diese Arbeit widmet sich sowohl dem Thema der Photoschädigung durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie, als auch der Anwendung von dSTORM und SIM (Structured Illumination Microscopy) zur Untersuchung neurobiologischer Fragestellungen auf Proteinebene. Zur Ermittlung der Photoschädigung wurden lebende Zellen unter typischen Bedingungen bestrahlt und anschließend für 20−24 h beobachtet. Als quantitatives Maß für den Grad der Photoschädigung wurde der Anteil sterbender Zellen bestimmt. Neben der zu erwartenden Intensitäts- und Wellenlängenabhängigkeit, zeigte sich, dass die Schwere der Photoschädigung auch von vielen weiteren Faktoren abhängt und dass sich Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie bei Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse durchaus mit Lebendzellexperimenten vereinbaren lässt. Ein weiteres Projekt diente der Untersuchung der A- und B-Typ-Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila melanogaster mittels dSTORM. Dabei konnte eine veränderte Anordnung beider Rezeptortypen infolge synaptischer Plastizität beobachtet, sowie eine absolute Quantifizierung des A-Typ-Rezeptors durchgeführt werden. Im Mittelpunkt eines dritten Projekts standen Cadherin-13 (CDH13) sowie der Glucosetransporter Typ 3 (GluT3), welche beide mit der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht werden. CDH13 konnte mittels SIM in serotonergen Neuronen, sowie radiären Gliazellen der dorsalen Raphekerne des embryonalen Mausgehirns nachgewiesen werden. Die Rolle von GluT3 wurde in aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenzierten Neuronen analysiert, welche verschiedene Kopienzahlvariation des für GluT3-codierenden SLC2A3-Gens aufwiesen. Die Proteine GluT3, Bassoon und Homer wurden mittels dSTORM relativ quantifiziert. Während die Deletion des Gens zu einer erwartenden Verminderung von GluT3 auf Proteinebene führte, hatte die Duplikation keinen Effekt auf die GluT3-Menge. Für Bassoon und Homer zeigte sich weder durch die Deletion noch die Duplikation eine signifikante Veränderung. / The emergence of super-resolution microscopy techniques caused a revolution of light microscopy. On the one hand, the higher achieved structural resolution allows for the visualization of structures below the diffraction limit. On the other hand, single molecule localization microscopy methods like dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) provide information that can be used for quantitative analysis. The new possibilities, offered by these approaches, lead to rapid development of the same and by now they are applied to investigate a broad range of biological and medical questions. Besides this success, it can’t be denied, that these methods also have some disadvantages like the necessity of relative high laser intensities that are needed for the high resolution and might cause photodamage in living samples. This work deals with the issue of photodamage induced by single molecule localization microscopy methods as well as the examination of neurobiological problems on protein level by the usage of dSTORM and SIM (Structured Illumination Microscopy). To identify photodamage, living cells were irradiated at typical conditions and were observed for 20−24 h afterwards. As a quantitative measure for the severity of photodamage, the fraction of dying cells was determined. Besides the expected dependency on intensity and wavelength, a lot of other factors showed to affect the severity. It could be demonstrated that single molecule localization microscopy can be combined with live-cell imaging if one takes those results into account. Another project aimed for the investigation of A- and B-type Glutamate receptors at the neuromuscular junction of Drosophila melanogaster via dSTORM. Thus, an altered arrangement of both receptor types could be observed and A-type receptors could be quantified absolutely. A third project focused on cadherin-13 (CDH13) and glucose transporter 3 (GluT3), which are connected with attention deficit hyperactivity disorder. CDH13 could be detected in serotonergic neurons and radial glial cells of dorsal raphe in embryonic mouse brains using SIM. The role of GluT3 was analyzed in neurons, differentiated from induced pluripotent stem cells, which possessed different copy-number variations of the gene SLC2A3, which codes for GluT3. Proteins GluT3, Bassoon and Homer were quantified relatively using dSTORM. While the deletion of the gene resulted in an expected decrease of GluT3 at the protein level, the duplication didn’t affect the amount of GluT3. In the case of Homer and Bassoon, neither the deletion, nor the duplication caused any significant changes.

Dystonien sind neurologisch bedingte Bewegungsstörungen, bei denen es zu unwillkürlichen Muskelkontraktionen kommt, die zu abnormen Körperhaltungen und Bewegungsabläufen führen. Auf Grund unzureichender Kenntnisse zur Pathophysiologie sind die therapeutischen Möglichkeiten stark limitiert, was die Erforschung neuer Zielstrukturen und Pharmaka in Tiermodellen unerlässlich macht. Da anhand bisheriger Studienergebnisse eine gestörte corticostriatale Plastizität und veränderte Netzwerkaktivitäten im Bereich der Basalganglien als wahrscheinlichste Hauptursachen für die Entstehung von Dystonien diskutiert werden, werden strukturelle und funktionelle Veränderungen sowie mögliche Ansatzstellen neuer Therapeutika vor allem in diesem Gehirnareal untersucht. Als eine mögliche neue Zielstruktur für Pharmaka zur Behandlung von Dystonien sollte der metabotrope Glutamatrezeptor 5 (mGluR5) in zwei verschiedenen Tiermodellen der Dystonie untersucht werden. Der mGluR5 ist besonders im Bereich des Striatums, der Eingangsstruktur der Basalganglien, stark exprimiert und zudem maßgeblich an der Regulierung der synaptischen Plastizität beteiligt.Weiterhin konnten in der Behandlung einer symptomatisch verwandten Bewegungsstörung, der Levodopa-induzierten Dyskinesie, mit antagonisierenden Substanzen am mGluR5 bereits erste Erfolge erzielt werden. Zunächst erfolgten pharmakologische Untersuchungen mit dem negativen allosterischen Modulator Fenobam (20-50 mg/kg intraperitoneal, i.p.) und dem positiven allosterischen Modulator CDPPB (10-20 mg/kg i.p.) am mGluR5 im dtsz Hamstermodell, einem phänotypischen Modell der paroxysmalen Dystonie. Dabei wurden die akuten Effekte der Substanzen auf die Dystonieschwere der Tiere sowie auftretende Nebenwirkungen aufgezeichnet (n=8-10 pro Testdosis). Der Vergleich des Dystoniescores erfolgte jeweils zu einer Vehikelvor- und -nachkontrolle im selben Tier und wurde mittels Varianzanalyse (ANOVA) mit wiederholten Messungen für nicht parametrische Daten analysiert. Zusätzlich wurde an Gehirnen von dtsz Hamstern (n=7) im Vergleich zu nicht-dystonen Kontrolltieren (n=7) die Expression des mGluR5 im Striatum und Cortex untersucht.Dazu wurde zunächst eine immunhistochemische (IHC) Fluoreszenzfärbung in zwei Altersstufen der Tiere durchgeführt. Die Quantifizierung der Proteinexpression erfolgte weiterhin mittels Western Blot (WB), während die mGluR5-mRNA-Expression durch quantitative Echtzeit-PCR (RT qPCR) ermittelt wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurden oben genannte Untersuchungen zur Protein- und mRNA-Expression des mGluR5 im DYT1 knock-in (KI) Mausmodell durchgeführt, einem Tiermodell der häufigsten erblichen, persistenten Dystonieform des Menschen. Die Analysen der Gehirne erfolgten an männlichen 6-Monate alten DYT1 KI-Mäusen (n=6) im Vergleich zu Wildtyp-Wurfgeschwistern (n=6). Die Ergebnisse von IHC und WB wurden jeweils mittels Zwei-Wege-ANOVA und anschließendem Holm-Sidak-Test statistisch ausgewertet, während die Rohdaten der RT qPCR mittels Mann Whitney U-Test analysiert wurden. Die Signifikanz wurde für alle statistischen Tests auf p<0,05 festgelegt. Weiterhin wurden auch in diesem Modell pharmakologische Untersuchungen mit CDPPB (10-30 mg/kg i.p.) durchgeführt, um mögliche Effekte auf das Verhalten und die Bewegungsaktivität der Mäuse zu analysieren. Hierzu erfolgten Substanzapplikationen im Rahmen einer Cross-over-Studie (drei Dosierungen und Vehikel) an DYT1 KI-Tieren (n=6) und Wildtyp-Wurfgeschwistern (n=6) im Alter von 4-6 Wochen und 6 Monaten. Die Auswertung der Parameter für die Bewegungsaktivität erfolgte mittels Zwei-Wege-ANOVA. Beide Modulatoren des mGluR5 erzielten in allen getesteten Dosierungen keine Effekte auf die Dystonieschwere in den dtsz Hamstern. Allerdings löste CDPPB zusätzlich zur Dystoniesymptomatik Anzeichen einer generalisierten, axialen Dyskinesie bei der dtsz Mutante, aber nicht in nicht-dystonen Kontrollhamstern aus. Der daraufhin vermutete Unterschied in der Expression des mGluR5 bestätigte sich mittels IHC, in der sich eine 35 % höhere Rezeptorexpression im Striatum und Cortex von dtsz Hamstern im Alter der stärksten Dystonieausprägung im Vergleich zu gleichaltrigen Kontrolltieren (p<0,01) zeigte. Die Differenzen zwischen den Genotypen bestätigten sich nicht mittels WB und RT qPCR. Im DYT1 KI-Modell hingegen war die striatale mGluR5-mRNA erheblich geringer exprimiert als in den Wildtyp-Mäusen (p<0,05). Dies zeigte sich auch mittels IHC im ventralen Striatum (p<0,05; ANOVA), während im WB keine Genotyp-Unterschiede in der mGluR5-Protein-Expression zu erkennen waren. Die Applikation des CDPPB verursachte in den DYT1 KI-Mäusen weder abnorme Bewegungen noch Veränderungen im Lokomotionsverhalten. Auf Grund der teilweise inhomogenen Ergebnisse der Rezeptorstudien in beiden Tiermodellen und dem ausbleibenden erwarteten positiven Effekt des negativen allosterischen Modulators Fenobam auf die Dystonieschwere im dtsz Hamster, scheint der mGluR5 keine Schlüsselrolle in der Pathophysiologie der Dystonie zu spielen und auch nicht als Ansatzpunkt für antidystone Pharmaka geeignet zu sein. Dennoch weisen die Expressionsunterschiede in beiden Modellen auf eine Dysregulation des mGluR5 hin und bestätigen eine gestörte corticostriatale Plastizität im Dystoniegeschehen. Die Überexpression des mGluR5, wie sie sich im dtsz Modell zeigte, ist offensichtlich jedoch keine generelle Veränderung bei verschiedenen Dystonieformen, weil sie im DYT1 KI-Modell nicht nachweisbar war.:Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Definition und Einteilung von Dystonien 2.1.1 Die primäre DYT1-Torsionsdystonie 2.2 Pathophysiologie primärer Dystonien 2.2.1 Pathophysiologische Bedeutung der Basalganglien 2.2.2 Synaptische Plastizität 2.3 Therapieoptionen von Dystonien 2.4 Tiermodelle für primäre Dystonien 2.4.1 Übersicht etablierter Tiermodelle 2.4.2 Das dtsz Hamstermodell 2.4.3 Das DYT1 knock-in Mausmodell 2.5 Der metabotrope Glutamatrezeptor 5 (mGluR5) 2.5.2 Therapeutisches Potenzial des mGluR5 2.6 Fragestellung der vorliegenden Arbeit 3. Publikation I 4. Publikation II 5. Diskussion 5.1 Aspekte zur Methodik 5.1.1 Untersuchungen im dtsz Hamster 5.1.2 Untersuchungen im DYT1 KI-Modell 5.2 Ergebnisse 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Danksagung

Wir haben im Hippocampus von transgenen Mäusen, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) unter der Kontrolle eines Promotors für Nestin exprimieren, mutmaßliche Neuronale Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass Nestin-GFP exprimierende Vorläuferzellen in der subgranularen Zone des adulten Gyrus Dentatus sich in zwei Subpopulationen entsprechend ihrer morphologischen Eigenschaften einteilen lassen. Eine kleine, morphologisch unterscheidbare Population von Vorläuferzellen mit neuronalen Eigenschaften erhielt GABAergen, aber keinen glutamatergen Input, dies widerspiegelt die Situation während der Entwicklung des Gehirns. Außerdem haben wir ecto-nucleotidase NTPDase2 und functionelle P2X Rezeptoren in hippocampalen Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben auch das Verhalten Nestin exprimierender Zellen bis zu 8 Wochen nach 30 minütiger Occlusion der mittleren cerebralen Arterie (MCAo)/reperfusion und im murinen experimentellen Glioblastom Modell untersucht. Neben den bereits publizierten Ergebnissen, die ich auch in meiner Doktorarbeit vorgestellt habe, habe ich die elektrophysiologischen Eigenschaften der Nestin-GFP-exprimierenden Zellen in der Amygdala und im CA 1 des Hippocampus untersucht. / Using transgenic mice that express green fluorescent protein (GFP) under control of the nestin promoter, the putative precursor cells were identified. We have previously shown that nestin-GFP expressing precursor cells in the adult subgranular zone of hippocampal dentate gyrus could be divided into two distinct subpopulations based on morphological criteria. A small, morphological distinct population of precursor cells with neuronal properties received GABAergic, but not glutamatergic input similar as in brain development. We identified ecto-nucleotidase NTPDase2 and functional P2X receptors at hippocampal progenitor cells. We also studied the fate of nestin-GFP-expressing cells up to 8 weeks after 30 mins occlusion of the middle cerebral artery (MCAo)/reperfusion and in murine experimental glioblastoma model. Except for the published results which was included in this PhD dissertation, I also studied the electrophysiology properties of nestin-GFP-expression cells in amygdala and in Ca1 of hippocampus.

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In dieser Arbeit wird der Transport von Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila-Larven untersucht. Dies geschieht anhand der Analyse von Mikroskopaufnahmen von mit Fluorophoren markierten Glutamatrezeptoren. Hierfür wurden statistische Parameter entwickelt oder angewendet, um die Verteilung der Glutamatrezeptoren quantitativ zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leitfähigkeit der Rezeptoren eine wichtige Rolle bei der Rezeptorlokalisation spielt. Glutamatrezeptoren mit verminderter Leitfähigkeit haben eine erheblich veränderte Lokalisation und akkumulieren verstärkt an jungen Synapsen. Außerdem ist die Anzahl der Rezeptoren nicht mehr an den Aufbau der prä-synaptischen Seite gekoppelt. Diese Arbeit zeigt auch, das Glutamatrezeptoren um synaptische Ankerplätze miteinander konkurrieren. Deshalb ist die Lokalisation eines Rezeptors nicht nur von seinem strukturellen Aufbau abhängig, sondern auch von den Eigenschaften anderer Rezeptoren. / In this thesis the neuromuscular junction of the Drosophila larva is used as a model system to study basic mechanisms of glutamate receptor trafficking. In particular confocal images of glutamate receptors, tagged to fluorophores, are analysed. For this, statistical parameters are developed and used to quantitatively describe the distributions of glutamate receptors. The results show that gating dynamics are an important variable in glutamate receptor trafficking. Glutamate receptors with reduced charge transfer have strong altered localisation and accumulate prematurely at young synapses. Furthermore, their abundance are uncoupled from presynaptic assembly. The thesis also shows that glutamate receptors compete for synaptic anchoring sites in postsynaptic densities. Therefore, the trafficking of one receptor is not only determined by its own structure but is also dependent on the properties of other receptors.

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