In a study from 2011, the protein muskelin was described as a central coordinator of the retrograde transport of GABA(A) receptors in neurons. As muskelin governs the transport along actin filaments as well as microtubules, it might be the first representative of a novel class of regulators, which coordinate cargo transport across the borders of these two independent systems of transport paths and their associated motorproteins. To establish a basis for understanding the mode of operation of muskelin, the aim of this thesis was an in-depth biochemical and structural characterization of muskelin and its interaction with the GABA(A) receptor. One focus of the work was the analysis of the oligomerization of muskelin. As could be demonstrated, the oligomerization is based on two independent interactions mediated by different domains of the protein: a known interaction of the N-terminal discoidin domain with the C-terminal portion, termed head-to-tail interaction, and a dimerization of the LisH motif in muskelin that was so far neglected in the literature. For the detailed studies of both binding events, the solution of a crystal structure of a fragment of muskelin, comprising the Discoidin domain and the LisH motif, was an important basis. The fragment crystallized as a dimer, with dimerization being mediated solely by the LisH motif. Biochemical analysis corroborated that the LisH motif in muskelin serves as a dimerization element, and, moreover, showed that the C-terminal domain of the protein substantially stabilizes this dimerization. In addition, the crystal structure revealed the molecular composition of the surface of the head in the head-to-tail interaction, namely the discoidin domain. This information enabled to map the amino acids contributing to binding, which showed that the binding site of the head-to-tail interaction coincides with the generic ligand binding site of the discoidin domain. As part of the analyses, residues that are critical for LisH-dimerization and the head-to-tail binding, respectively, were identified, whose mutation specifically interfered with each of the interactions separately. These mutations allowed to investigate the interplay of these interactions during oligomerization. It could be shown that recombinant muskelin assembles into a tetramer to which both interactions, the LisH-dimerization and the head-to-tail binding, contribute independently. When one of the two interactions was disturbed, only a dimer mediated via the respective other interaction could be formed; when both interactions were disturbed, the protein was present as monomer. Furthermore, Frank Heisler in the group of Matthias Kneussel was able to show the drastic impact of an impaired LisH-dimerization on muskelin in cells using these mutations. Disturbing the LisH-dimerization led to a complete redistribution of the originally cytoplasmic muskelin to the nucleus which was accompanied by a severe impairment of its function during GABA(A) receptor transport. Following up on these results in an analysis of muskelin variants, for which alterations of the subcellular localization had been published earlier, the crucial influence of LisH-dimerization to the subcellular localization and thereby the role of muskelin in the cell was confirmed. The biochemical studies of the interaction of muskelin and the alpha1 subunit of the GABA(A) receptor demonstrated a direct binding with an affinity in the low micromolar range, which is mediated primarily by the kelch repeat domain in muskelin. For the binding site on the GABA(A) receptor, it was confirmed that the thirteen most C-terminal residues of the intracellular domain are critical for the binding of muskelin. In accordance with the strong conservation of these residues among the alpha subunits of the GABA(A) receptor, it could be shown that an interaction with muskelin in vitro is also possible for the alpha2 and alpha5 subunits. Based on the comparison of the binding sites between the homologous subunits, tentative conclusions can be drawn about the details of the binding, which may serve as a starting point for follow-up studies. This thesis thereby makes valuable contributions to the understanding of muskelin, in particular the significance of its oligomerization. It furthermore provides an experimental framework for future studies that address related topics, such as the characterization of other muskelin interaction partners, or the questions raised in this work. / Das Protein Muskelin wurde in einer Studie aus dem Jahr 2011 als zentraler Koordinator des retrograden Transports von GABA(A)-Rezeptoren in Neuronen beschrieben. Da Muskelin den Transport des Rezeptors sowohl entlang von Aktinfilamenten als auch Mikrotubuli steuert, könnte es der erste bekannte Vertreter einer neuen Klasse von Regulatoren sein, die den Transport einer Fracht über die Grenzen dieser beiden unabhängigen Systeme von Transportwegen und der damit assoziierten Motorproteine hinweg koordinieren. Um Grundlagen für das Verständnis der Wirkungsweise von Muskelin zu schaffen, war das Ziel dieser Arbeit die biochemische und strukturelle Charakterisierung von Muskelin und seiner Interaktion mit dem GABA(A)-Rezeptor. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf der Analyse der Oligomerisierung von Muskelin. Wie gezeigt werden konnte, beruht die Oligomerisierung auf zwei unabhängigen, von verschiedenen Domänen des Proteins vermittelten Bindungen: zum Einen auf einer bereits bekannten Wechselwirkung der N-terminalen Discoidin-Domäne und des C-terminalen Teils (anschaulich als Head-to-tail, englisch für Kopf-an-Schwanz, bezeichnet), zum Anderen auf einer in der Literatur bisher außer Acht gelassenen Dimerisierung des LisH-Motivs in Muskelin. Für die detaillierten Studien beider Bindungen lieferte die Aufklärung der Kristallstruktur eines Teilstücks von Muskelin, das die Discoidin-Domäne und das LisH-Motiv umfasst, eine wichtige Grundlage. Das Teilstück kristallisierte als Dimer, wobei die Dimerisierung ausschließlich über das LisH-Motiv vermittelt wurde. Die biochemischen Analysen bestätigten, dass das LisH-Motiv in Muskelin als Dimerisierungselement wirkt, und zeigten darüber hinaus, dass die C-terminale Domäne des Proteins diese Dimerisierung wesentlich stabilisiert. Zudem offenbarte die Kristallstruktur den molekularen Aufbau der Oberfläche des Kopfes in der Head-to-tail-Bindung, der Discoidin-Domäne. Die Kartierung der zur Bindung beitragenden Aminosäuren belegte, dass die Bindungsstelle der Head-to-tail-Interaktion mit der generischen Ligandenbindungsstelle der Discoidin-Domäne zusammenfällt. Als Teil der Analysen wurden zur LisH-Dimerisierung oder zur Head-to-tail-Bindung kritisch beitragende Aminosäurenseitenketten identifiziert, durch deren Mutationen Ispezifisch jeweils eine der beiden Interaktionen unterbunden werden konnte. Diese Mutationen ermöglichten es, das Zusammenspiel der Bindungen in der Oligomerisierung zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass rekombinantes Muskelin ein Tetramer bildet, wozu beide Interaktionen, die LisH-Dimerisierung und die Head-to-tail-Bindung, unabhängig beitragen. Wurde jeweils eine der beiden Interaktionen durch Mutation gestört, konnte nur noch ein über die jeweils andere Interaktion vermitteltes Dimer gebildet werden, bei gleichzeitiger Störung beider Interaktionen lag das Protein als Monomer vor. Darüber hinaus konnte Frank Heisler in der Arbeitsgruppe von Matthias Kneussel mit Hilfe dieser Mutationen zeigen, dass eine Störung der LisH-Dimerisierung drastische Auswirkungen auf Muskelin in Zellen hat. Die Störung der LisH-Dimerisierung führte zu einer vollständigen Umverteilung des sonst im Zytoplasma lokalisierten Muskelins in den Kern, begleitet von einer starken Beeinträchtigung seiner Funktion im Transport des GABA(A)-Rezeptors. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde durch Analysen der oligomeren Zustände von Muskelin-Varianten, für die in der Literatur eine veränderte Lokalisation beschrieben worden war, die entscheidende Bedeutung der LisH-Dimerisierung für die subzelluläre Verteilung und damit die Rolle von Muskelin in der Zelle bekräftigt. Die biochemischen Studien der Interaktion von Muskelin und der alpha1-Untereinheit des GABA(A)-Rezeptors demonstrierten eine direkte Bindung mit mikromolarer Affinität, die in Muskelin vorwiegend durch die Kelch-repeat-Domäne vermittelt wird. Für die Bindungsstelle auf Seite des GABA(A)-Rezeptors wurde bestätigt, dass die dreizehn C-terminalen Reste der intrazellulären Domäne entscheidend sind. In Übereinstimmung mit der starken Konservierung dieser Reste in verschiedenen alpha-Untereinheiten des GABA(A)-Rezeptors, konnte gezeigt werden, dass in vitro eine Bindung von Muskelin auch an die intrazelluläre Domäne der alpha2- und alpha5-Untereinheit möglich ist. Anhand des Vergleichs der Bindungsstelle zwischen den homologen Untereinheiten lassen sich erste Rückschlüsse auf die Details der Interaktion ziehen, die als Anknüpfungspunkt für kommende Studien dienen können. Diese Arbeit liefert damit wesentliche Beiträge zum Verständnis von Muskelin, insbesondere der Bedeutung seiner Oligomerisierung. Sie bietet zudem ein experimentelles Rahmenwerk für zukünftige Studien, die sich verwandten Themen, wie der Charakterisierung weiterer Interaktionen von Muskelin, oder den in dieser Arbeit aufgeworfenen Fragen widmen.

Panic Disorder (PD) is characterized by unexpected, recurrent panic attacks, which are not restricted to certain situations, medication or stimuli. Like other anxiety disorders, PD is a multifactorial disorder and develops through the interaction of genetic and environmental risk factors. Despite an estimated heritability of up to 48%, no distinct genetic mechanism could be revealed yet. A dysregulation of the stress response has been shown in patients with PD and several studies could find an association of components of the corticotropin-releasing factor (CRF) system with PD. The corticotropin releasing hormone receptor 1 (CRHR1) is the main receptor of CRF in the brain and thus a crucial regulator of cerebral CRF signaling. Recent genetic studies found an association of certain CRHR1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) with PD and other anxiety disorders. Among the associated CRHR1 SNPs, rs17689918 showed further evidence in a multilevel study regulating CRHR1 gene expression in panic-relevant brain regions and affecting brain activation in fMRI experiments, as well as flight behavior in a behavioral avoidance task (Weber et al, 2015). Here, we aimed to investigate the underlying neurogenetic and neurobiological mechanisms, by which the rs17689918 risk allele affects CRHR1 gene expression and receptor function, and its putative function in the pathophysiology of PD. Due to its intronic position and the predicted change of splicing regulatory elements by the risk allele of rs17689918, the expression of alternative spliced CRHR1 isoforms was investigated using quantitative real-time PCR (qPCR) in a human post-mortem brain tissue sample. Of eight known CRHR1 isoforms, expression of three CRHR1 isoforms and the CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough transcript variant 5 – all expressing the seven transmembrane domains needed for functional receptors – was analyzed. Subsequently, electrophysiological assays were developed to measure the receptor activity of differentially expressed CRHR1 isoforms via co-expressed Kir2.3 potassium channels in vitro. In a second approach, possible epigenetic regulation of CRHR1 expression by rs17689918 was investigated by analyses of DNA methylation patterns of a CpG Island within the CRHR1 promoter region, firstly in a case-control sample for PD and secondly in a healthy control sample, separated in high and low anxious individuals. To investigate a possible gene × epigene × environment interaction, the impact of early life stress by means of childhood trauma was evaluated via the childhood trauma questionnaire (CTQ). Finally, consequences of differential DNA methylation of the CRHR1 promoter region on gene expression were investigated by luciferase-based reporter gene assays in vitro. The expression of CRHR1β was significantly decreased in amygdalae and midbrains of risk allele carriers. The expression of CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough transcript variant 5 was significantly increased in forebrains and midbrains of risk allele carriers. All other analyzed isoforms showed no differences in expression between non-risk and risk allele carriers of rs17689918. The electrophysiological recordings of membrane potential showed an activation of Kir2.3 channels by CRHR1β in contrast to an inconsistent mix of activation and inhibition of Kir2.3 by the main isoform CRHR1α. DNA methylation of the CRHR1 promoter region was significantly reduced in panic disorder patients, as well as in high anxious individuals of an independent healthy control sample, but no direct relation to the rs17689918 risk allele could be discerned. However, the combination of carrying the risk allele, low DNA methylation and high CTQ scores lead to increased sum scores in the Beck Anxiety Inventory (BAI) in healthy individuals. Functional analyses revealed an activation of gene expression by decreased DNA methylation of the promoter region in vitro. Our results revealed that rs17689918 regulates CRHR1 function by increasing the expression of alternative transcript variants with altered function. Our analyses of DNA methylation revealed decreased methylation as a new risk factor for panic disorder and high anxious behavior, which in combination with other risk factors like childhood trauma and the rs17689918 risk allele might further increase cognitive and somatic anxiety symptoms. This supports the role of CRHR1 as a plasticity gene of anxiety behavior, i.e. a gene that is highly regulated by epigenetic or post-transcriptional mechanisms in response to environmental stressors. By its role in CRF signaling, the dysregulation of CRHR1 might extensively affect the stress response and contribute to the pathophysiology of stress-related disorders like PD. The understanding of the underlying mechanisms, especially the genetic and epigenetic regulation, would however enhance CRHR1 as a target of improved future therapeutics for PD and other anxiety disorders. / Die Panikstörung manifestiert sich durch unerwartete, wiederkehrende Panikattacken, welche sich nicht auf bestimmte Situationen, Medikationen oder Stimuli zurückführen lassen. Bei der Panikstörung handelt es sich, wie bei allen psychischen Erkrankungen, um eine sogenannte multifaktorielle Erkrankung, d.h. sie entwickelt sich aus einem Zusammenspiel von genetischen Faktoren und Umweltfaktoren. Trotz einer geschätzten Heritabilität von bis zu 48% ist bisher kein eindeutiger genetischer Mechanismus bekannt, der zur Entwicklung einer Panikstörung führt. Mehrere Studien konnten eine Fehlregulation der Stressantwort bei Patienten mit Panikstörung feststellen. Dabei konnten mehrfach Polymorphismen in Genen des Corticotropin-Releasing Faktor (CRF) Systems mit Panikstörung assoziiert werden. Insbesondere der Hauptrezeptor von CRF im Gehirn, der Corticotropin Releasing Hormon Rezeptor 1 (CRHR1), konnte in mehreren Studien mit Panikstörung und anderen Angsterkrankungen assoziiert werden. In einer kürzlich erschienenen Studie wurde gezeigt, dass der CRHR1 Einzelnukleotid-Polymorphismus rs17689918 die Genexpression von CRHR1 in Gehirnregionen reguliert, die auch in Angsterkrankungen eine Schlüsselrolle spielen. Zusätzlich zeigten Risikoallelträger eine veränderte Gehirnaktivierung in fMRT Experimenten und ein verändertes Fluchtverhalten in einem Verhaltenstest (Weber et al, 2015). In der vorliegenden Studie wurden die zugrundeliegenden neurogenetischen und neurobiologischen Mechanismen untersucht, anhand derer das Risikoallel von rs17689918 die CRHR1 Genexpression und Rezeptorfunktion beeinflusst, und welche Rolle diese in der Pathophysiologie der Panikstörung spielen. Aufgrund der Position von rs17689918 im Intron von CRHR1 und der in silico berechneten Änderung der Erkennungssequenz für Spleißregulatoren durch das Risikoallel von rs17689918 wurde die Expression alternativer Spleißformen von CRHR1 mittels quantitativer real-time PCR in humanen post-mortem Gehirnproben analysiert. Insgesamt wurde die Expression von vier CRHR1 Isoformen und die Expression der CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough Transkriptvariante 5 analysiert. Für funktionelle Analysen wurden elektrophysiologische Assays entwickelt, um durch die Messung der Aktivität von ko-exprimierten Kir2.3 Kaliumkanälen die Rezeptoraktivität der CRHR1 Isoformen in vitro bestimmen zu können. Zusätzlich wurde eine mögliche epigenetische Regulation der CRHR1 Genexpression durch rs17689918 untersucht. Hierfür wurden DNA Methylierungsmuster eines Abschnittes einer CpG-Insel im Promoterbereich des CRHR1 Gens in einer Fall-Kontroll-Stichprobe für Panikstörung und einer weiteren gesunden Kontrollstichprobe – unterteilt in eine hoch-ängstliche und eine niedrig-ängstliche Gruppe – analysiert. Um mögliche Gen-Epigen-Umweltinteraktionen zu untersuchen, wurde zusätzlich der Einfluss belastender Lebensereignisse in frühen Lebensabschnitten mittels dem Childhood Trauma Questionnaire (CTQ) erfasst. Die Funktionalität von differenziell methylierten Abschnitten der CRHR1 Promoterregion wurde mittels Luziferase-basierten Reportergenassays in vitro untersucht. Die Ergebnisse der Expressionsanalyse zeigen eine signifikant verminderte Expression der Isoform CRHR1β in Amygdala- und Mittelhirnproben von Risikoallelträgern. Gleichzeitig war CRHR1-IT1-CRHR1 Transkriptvariante 5 in Vorderhirn- und Mittelhirnproben von Risikoallelträgern signifikant höher exprimiert. Alle anderen Isoformen zeigten keinen Expressionsunterschied zwischen Risiko- und Nicht-Risikoallelträgern von rs17689918. Elektrophysiologische Messungen des Membranpotentials fanden eine Aktivierung der ko-exprimierten Kir2.3 Kanäle durch Isoform CRHR1β, im Gegensatz zu einer inkonsistenten Regulation aus Aktivierung und Inhibition der Kanäle durch die Hauptvariante CRHR1α. Patienten mit Panikstörung zeigten eine geringere DNA-Methylierung der CRHR1 Promoterregion im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Gleichzeitig haben hoch-ängstliche gesunde Probanden eine geringere DNA Methylierung der CRHR1 Promoterregion als weniger ängstlichen Probanden. Allerdings konnte kein Einfluss von rs17689918 auf die DNA-Methylierung gefunden werden. Probanden mit einer Akkumulation von Risikofaktoren wie dem Risikoallel von rs17689918, geringer DNA-Methylierung und hohen CTQ-Werten erreichen außerdem höhere Summenwerte im BAI. Die funktionellen Analysen zeigten eine Aktivierung der Genexpression infolge einer geringen DNA-Methylierung der differenziell methylierten CpG-Stellen. Die Ergebnisse zeigen, dass rs17689918 die Funktion von CRHR1 durch eine Verschiebung der Expression zu alternativen, weniger oder nicht-funktionellen Spleißvarianten steuert. Zusätzlich zeigen die Analysen, dass eine verringerte DNA-Methylierung der CRHR1 Promoterregion ein Risikofaktor für Panikstörung und erhöhtes Angstverhalten ist, welcher in Kombination mit weiteren Risikofaktoren wie Kindheitstraumata oder dem rs17689918 Risikoallel ängstliche Verhaltenszüge begünstigt. Dies unterstützt die Hypothese, dass CRHR1 die Funktion eines sogenannten „Plastizitätsgens“ für ängstliches Verhalten und Angsterkrankungen hat, d.h. ein Gen dessen Expression durch epigenetische und posttranskriptionale Modulation in Reaktion auf Umwelteinflüsse reguliert wird. Durch seine wichtige Funktion im CRF-Signalweg könnte eine Fehlregulation von CRHR1 einen weitreichenden Einfluss auf die humane Stressantwort haben und somit auch zur Pathophysiologie von stress-bedingten Erkrankungen wie Panikstörung beitragen. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, besonders der genetischen und epigenetischen Regulation, würde dazu beitragen CRHR1 als möglichen Ansatzpunkt zukünftiger Therapien für Panikstörung und anderen Angsterkrankungen zu erschließen.

Univ., Diss.--Münster (Westfalen), 2006.

Stuttgart, Universität, Thesis (doctoral), 2002.

Thesis (doctoral)--Universität, Würzburg, 2000.

Erlangen, Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2006. / Enth. 1 Sonderabdr. aus: International journal of cancer ; 116. 2005. - Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

Univ., Diss., 2006--Frankfurt (Main)

Zugl.: Düsseldorf, Univ., Diss., 2008

Würzburg, University, Diss., 2007.