Der Glycin-Rezeptor ist Teil der inhibitorischen liganden-gesteuerten Ionenkanäle im ZNS und wird am stärksten im adulten Rückenmark sowie im Hirnstamm exprimiert. In der Nerv-Muskel-Synapse sind GlyR für die rekurrente Hemmung der Motoneuronen wichtig und steuern das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung der Muskelzellen. Für die glycinerge Neurotransmission sind neben den präsynaptischen GlyR 𝛼1 insbesondere postsynaptische GlyR 𝛼1/𝛽 verantwortlich. Durch Mutationen des GlyR entsteht das Erkrankungsbild der Hyperekplexie mit übersteigerter Schreckhaftigkeit, Muskelsteifheit und Apnoe. Hauptursächlich dafür sind Mutationen im GLRA1-Gen. Die shaky Maus stellt ein gutes Modell zur Erforschung dieser seltenen Erkrankung dar.
Die shaky Missense-Mutation Q177K in der extrazellulären 𝛽8-𝛽9 Schleife der Glycin- Rezeptor-𝛼1-Untereinheit zeigte strukturell ein gestörtes Wasserstoffbrückennetzwerk. Funktionell konnten eingeschränkt leitfähige Ionenkanäle identifiziert werden. Der letale Phänotyp äußert sich beim homozygoten shaky Tier durch Schrecksymptome mit einem einhergehenden zunehmenden Gewichtsverlust. Die Quantifizierung der Oberflächenexpression deutete auf einen Verlust synaptischer GlyR 𝛼1/𝛽 hin. Aussagen bezüglich der GlyR-𝛽-Untereinheit, die Teil des synaptischen GlyR Komplexes ist, waren aufgrund fehlender stabiler Antikörper bisher nicht möglich. Das neuartige KI- Mausmodell Glrb eos exprimiert endogen fluoreszierende 𝛽 -Untereinheiten und ermöglicht damit erstmalig eine Betrachtung der GlyR- 𝛽-Expression in Tiermodellen der Startle Erkrankung.
Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der shaky Mutation auf die Interaktion mit der 𝛽 -Untereinheit und Gephyrin zu erforschen. Dafür wurden Markerproteine der glycinergen Synapse in Rückenmarksneuronen der Kreuzung Glrb eos x Glra1 sh gefärbt und quantifiziert. Die durchgeführte Gewichtsbestimmung der Nachkommen im zeitlichen Verlauf zeigte keinen Einfluss der eingefügten mEos4b-Sequenz auf das Körpergewicht der Tiere und schließt damit funktionelle Einschränkungen bedingt durch die mEos4b-Sequenz aus. Zur Verstärkung des 𝛽 eos-Signals wurde ein Antikörper verwendet. Die Quantifizierung der GlyR- 𝛽- Untereinheit an Rückenmarksneuronen zeigte für homozygote shaky Tiere im Vergleich zum Wildtyp signifikant reduzierte 𝛽eos Oberflächenexpressionen in Gephyrin Clustern sowie signifikant erniedrigte Kolokalisationen von Gephyrin/𝛼1, 𝛽eos/𝛼1 und 𝛽eos/Gephyrin. Die mutierte GlyR-𝛼1- Untereinheit wurde hingegen vermehrt an der Oberfläche in shaky Tieren exprimiert. Die Ergebnisse der Rückenmarksschnitte unterstützen diese Befunde aus den Primärneuronen. Die Untersuchung der Präsynapse erbrachte für Glrb eos/eos x Glra1 sh/sh eine signifikant verminderte Synapsin und Synapsin/𝛼1 Expression.
Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern die Daten früherer Arbeiten zur shaky Maus und zeigen einen starken Verlust synaptischer GlyR 𝛼 1/ 𝛽 an der Oberfläche von Motoneuronen. Ein möglicher kompensatorischer Versuch durch erhöhte 𝛼1 Expression bleibt infolge der Funktionsbeeinträchtigung dieser mutierten GlyR- 𝛼 1 Rezeptoren erfolglos mit letalem Ausgang. In vorherigen Arbeiten wurde vermutet, dass die Mutation in der extrazellulären Bindungsstelle in der Lage ist, Konformationsänderungen in die TM3-TM4-Schleifenstruktur zu übertragen und dadurch die Gephyrin Bindung und synaptische Verankerung zu stören. Die Daten dieser Arbeit stützen diese Annahme und weisen darüber hinaus auf eine gestörte Rezeptorkomplexbindung hin. Die vorliegende Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Startle Erkrankung auf synaptischer Ebene bei. / The glycine receptor belongs to the inhibitory ligand-gated ion channels in the CNS and is most strongly expressed in the adult spinal cord and brainstem. In the nerve-muscle synapse, GlyR are important for recurrent inhibition of motor neurons and control the balance between excitation and inhibition of muscle cells. In addition to the presynaptic GlyR 𝛼1, postsynaptic GlyR 𝛼1/ 𝛽 in particular are responsible for glycinergic neurotransmission. Mutations of the GlyR lead to the clinical symptoms of hyperekplexia with excessive startle responses, muscle stiffness and apnea. The main causes are mutations in the GLRA1 gene. The shaky mouse is a good model for studying this rare disease.
The shaky missense mutation Q177K, located in the extracellular 𝛽8-𝛽9 loop of the glycine receptor 𝛼1 subunit, showed a disrupted hydrogen bond network at the structural level. Functionally restricted conductive ion channels could be identified. The lethal phenotype in the homozygous shaky mouse is manifested by startle symptoms with accompanied increasing weight loss. Quantification of surface expression indicated a loss of synaptic GlyR 𝛼1/𝛽. So far, statements regarding the GlyR-𝛽-subunit which is part of the synaptic receptor complex had not been possible due to the lack of stable antibodies. The novel KI mouse model Glrb eos endogenously expresses fluorescent β-subunits and thus allows an observation of GlyR 𝛽-expression in animal models of startle disease for the first time.
The aim of this study was to explore the effects of the shaky mutation on the interaction with the 𝛽-subunit and gephyrin. To this aim, marker proteins of the glycinergic synapse were stained and quantified in spinal cord neurons of Glrb eos x Glra1 sh. The performed weight determination of the littermates over time showed no influence of the inserted mEos4b-sequence on the bodyweight of the animals, thus ruling out functional limitations caused by the mEos4b-sequence. An antibody was used to amplify the 𝛽eos signal. Quantification of the GlyR-𝛽- subunit at spinal cord neurons demonstrated significantly reduced 𝛽eos surface expressions in gephyrin clusters as well as significantly decreased colocalisations of gephyrin/α1, 𝛽eos/𝛼1 and 𝛽eos/gephyrin for homozygous shaky animals compared to wild type. The mutant GlyR- 𝛼1 subunit exhibited enhanced expression at the surface in isolated spinal cord neurons from shaky animals. Results from spinal cord tissues supported these findings from primary neurons. Examination of presynapses revealed significantly decreased synapsin and synapsin/ 𝛼1 expression for Glrb eos/eos x Glra1 sh/sh.
The results of this study extend the data of previous studies on the shaky mouse, showing a severe loss of synaptic GlyR 𝛼1/𝛽 at the surface of motor neurons. A potential compensatory attempt through increased α1 expression remains unsuccessful with a lethal outcome due to the functional impairment of these mutated GlyR 𝛼1 receptors. Previous studies have suggested that the mutation in the extracellular binding site is able to transduce conformational changes in the TM3-TM4 loop structure, thereby disrupting gephyrin binding and synaptic integration. The data in this study support this hypothesis and furthermore indicate a disrupted receptor complex binding. The present study thus contributes to a better understanding of Startle disease at the synaptic level.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:34832 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Fuhl, Isabell |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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