The role of ionotropic glutamate receptors and TARPs for

Zusammenfassung
Während der Entwicklung gewinnen neuronale Dendriten an Länge, an Komplexität ihrer
Verzweigungen und synaptischen Kontakten. Es hat sich gezeigt, dass nahezu alle Aspekte des
Dendritenwachstums durch neuronale Aktivität gesteuert werden können. Statt wie bisher in
vielen anderen Studien geschehen, haben wir die neuronale Aktivität nicht pharmakologisch
moduliert, sondern bestimmte Glutamatrezeptoruntereinheiten
überexprimiert oder durch
Überexpression eines TARPs versucht, vermehrt endogene AMPA-Rezeptoren in die
Zellmembran einzubringen. Unsere Studien entdeckten in organtypischen Schnittkulturen des
frühen visuellen Cortex postnataler Ratten die weitestgehend unbekannte Rolle bestimmter
Glutamatrezeptoruntereinheiten,
sowie
ihrer
Spleiß-
und
Editierungsvarianten
für
das
Dendritenwachstum. Unsere Hypothese besagte, dass diese Rezeptoren in die Zellmembran
eingebaut und durch endogenes Glutamat aktiviert werden können, was schließlich zu
struktureller Differenzierung führt.
Eine endogene glutamaterge neurale Aktivität ist die Voraussetzung, damit diese Effekte
eintreten können. Ähnlich in vivo, zeigten unsere Schnittkulturen nach fünf bis zehn Tagen in vitro
erregende GABAerge Antworten und eine dauerhafte glutamaterge Erregung. Kalziumströme
traten sowohl in Neuronen als auch in Gliazellen auf. Darüber hinaus traten zwischen fünf und
zehn Tagen Kalziumwellen in unseren Schnittkulturen auf.
Wir charakterisierten elf Glutamatrezeptor- und Kainatrezeptoruntereinheiten und bestätigten die
zentrale Hypothese, dass die Untereinheiten, welche Kalziumtransienten möglich machen und
jene, welche die Desensitisierungszeit der Kanäle verlängern, effizient das Dendritenwachstum
beeinflussen. Zum Beispiel konnten wir zeigen, dass die GluR(2)R-flip-Untereinheit die
Dendritenlänge von Pyramidenzellen erhöhte, im Gegensatz zur GluR(2)R-flop-Untereinheit.
Zusätzlich war die GluR(2)R-flip-Variante effizienter als die GluR(2)R-flop-Variante bei der
Induktion von Dendritenschäden. Darüber hinaus zeigten mit GluR(2)R-flip, aber nicht mit
GluR(2)R-flop transfizierte Neurone verstärkte Kalziumsignale. Obwohl nicht kalziumpermeabel,
reichten die biophysikalischen Eigenschaften, welche mit der GluR(2)R-flip-Variante gewonnen
wurden aus, um das Dendritenwachstum zu steigern, da die flip- Variante eine stärkere
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Depolarisierung und daher einen erhöhten Kalziumeinstrom bewirkt. GluR2-Untereinheiten waren
nicht fähig, das Dendritenwachstum von Interneuronen zu fördern, welchen natürlicherweise
GluR2 fehlt. Allerdings ließen sich AMPA-induzierte Dendritenschädigungen sehr schnell in mit
GluR2 transfizierten Interneuronen erzeugen, was die funktionelle Überexpression belegt.. Im
Gegensatz
dazu
konnten
wir
hier
zeigen,
dass
die
GluR1(Q)-flip-Untereinheit
das
Dendritenwachstum der inhibitorischen Interneuronen verstärkte, welche auch natürlicherweise
GluR1 stark exprimierten. Die Pyramidenneurone, welche natürlicherweise wenig GluR1
exprimierten, waren hiervon nicht betroffen. Auch in diesem Fall wurde der dendritogene Effekt
durch die flip-Variante vermittelt und nicht durch die Kalziumpermeabilität. Somit wurde die
Existenz spezifischer
Regulationen des Dendritenwachstums durch bestimmte GluR-
Untereinheiten und in spezifischen Zellklassen gezeigt. Individuelle GluR-Untereinheiten hatten
zudem einen starken Effekt auf das Dendritenwachstum in den supragranulären Schichten II/III
(z.B. GluR3(Q)-flip), während die Neuronen der tieferen Schichten keine Veränderungen zeigten.
Diese Erkenntnisse gehen einher mit Berichten über größere Anzahlen aktiver Synapsen und
erregbarer apikaler Dendriten in den äußeren kortikalen Schichten. Die Kainatrezeptoren
GluR6(Q) und GluR6(R) waren sehr effektive Induktoren von Dendritenschädigungen in den
transfizierten Kulturen. Unerwarteterweise rief die editierte Form von GluR6, GluR6R, ein
massives Dendritenwachstum neokortikaler Pyramidenneurone hervor. Eine mögliche Erklärung
hierfür könnte eine Kainatrezeptor-vermittelte Verstärkung der Netzwerkaktivität sein.
Gamma-8 war das einzige TARP, welches das Dendritenwachstum der neokortikalen
Pyramidenneurone erhöhte, so dass eine TARP-spezifische Regulation des Dendritenwachstums
zu vermuten ist. Wir bestätigten die Lokalisierung der überexprimierten TARPs in der
Plasmamembran
durch
immunhistochemische
Methoden.
Eine
Agonisten-induzierte
Dendritenschädigung zeigte eine erhöhte Dichte funktioneller AMPA-Rezeptoren in gamma-4 und
gamma-8-transfizierten Neuronen. Das letztere Ergebnis war konform mit dem dendritogenen
Effekt von gamma-8, welcher zum ersten Mal zeigte, dass TARPs eine Rolle in der
Dendritogenese neokortikaler Neuronen spielen.
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Zusammenfassend
hat
diese
Studie
die
dendritogenen
Effekte
diverser
Glutamatrezeptoruntereinheiten offen gelegt, welche zwischen den postnatalen Tagen fünf bis
zehn im visuellen Kortex der Ratte abhängig sind vom Neuronentyp und vom ontogenetischen
Alter des Neurons bzw. seiner Lage in bestimmten Schichten. In Bestätigung unseren
Erwartungen schien der wichtigste Anstoß zum Dendritenwachstum die Depolarisierung durch
flip-Varianten oder die Induktion von Netzwerkaktivität zu sein und eher weniger die
Kalziumpermeabilität der Rezeptorkanäle.
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