TU Darmstadt / ULB / TUprints

Ionotropic glutamate receptor dysfunction in pediatric neurodevelopment

Geider, Kirsten :
Ionotropic glutamate receptor dysfunction in pediatric neurodevelopment.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
Kirsten_ Dissertation_genehmigte_2015.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (15MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ionotropic glutamate receptor dysfunction in pediatric neurodevelopment
Language: English
Abstract:

Der N-methyl-D-aspartate (NMDA) Rezeptor ist ein ligandengesteuerter Ionenkanal und gehört zur Familie der ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluR). Aufgrund seiner hohen Ca2+-Leitfähigkeit und seiner heterotetrameren Assemblierung spielt der NMDA Rezeptor innerhalb der iGluRs eine besondere Rolle. Für die Funktion sowie in der Entwicklung des zentralen Nervensystem, spielen diese Rezeptoren eine zentrale Rolle. Weiterhin sind sie an Prozessen wie Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt. Eine Schädigung von NMDA Rezeptoren wird mit einer Reihe von neurologischen Erkrankungen in Verbindung gebracht und aufgrund ihrer wichtigen Rolle für die Gehirnentwicklung sind sie von großem Interesse in pathologischen Zusammenhängen. NMDA Rezeptoren sind aus zwei obligaten GluN1 und zwei GluN2(A-D) oder GluN3(A,B) Untereinheiten aufgebaut. Jede dieser Untereinheiten weist einen modularen Aufbau mit verschiedenen Domänen auf, welche für unterschiedliche Funktionen zuständig sind. Die extrazellulär gelegene N-terminale Domäne (NTD) hat eine modulierende Funktion und besitzt Bindestellen für allosterische Modulatoren, wie beispielsweise Zink. Die Liganden-Bindungs-Domäne (LBD) beinhaltet die Agonisten-Bindestellen und ist mit den Transmembrandomänen (TMD) verbunden. Die drei Transmembrandomänen (M1, M2, M3) und die Wiedereintrittsschleife (P-Loop) bilden die Ionenkanalpore. Die Pore wird durch die QRN Stelle verengt, welche entscheidend für die Permeationseigenschaften des Rezeptors ist. Ein Ziel der Arbeit war die Analyse des NMDA Rezeptors in pathologischen Zusammenhängen. Dabei wurde der Einfluss der allosterischen Modulation, welcher über die NTD vermittelt wird, untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss der Porenregion bezüglich des Mg2+-Blocks und der Ca2+-Permeabilität analysiert. In Zusammenarbeit mit klinischen Arbeitsgruppen erhielten wir Informationen über Mutationen in verschiedenen NMDA Rezeptor Untereinheiten, aus Patienten mit verschiedenen Epilepsie-Syndromen. Für die Analyse wurden einzelne Mutationen in der NTD und der Ionenkanalregion ausgewählt und mittels zielgerichteter Mutagenese eingeführt. Anschließend erfolgte die funktionale Charakterisierung der ausgewählten Mutationen mittels der Zwei-Elektroden-Spannungsklemme (Two-electrode-voltage-clamp, TEVC) an Xenopus laevis Oozyten. Die elektrophysiologischen Analysen der verschiedenen Mutationen in der NTD und

der Kanalpore zeigten eine Verstärkung (gain of function) der Ionenkanalfunktion durch eine Verminderung verschiedener Inhibitionsmechansimen. Die Mutation GluN2A p.Ala243Val in der NTD führte zu einem Verlust der Zn2+-Inhibition. Die Mutationen in der Kanalregion führten zu einer starken Verringerung des spannungsabhängigen Mg2+-Blocks sowie höheren, relativen Ca2+-Permeabilitäten. Diese Verstärkung (gain of function) der Ionenkanalfunktion könnte ein molekulares Korrelat für die Epilepsie-Syndrome darstellen, wodurch es zu einer Überaktivierung der Rezeptoren kommt. In neuronalen Netzen könnte dies zu einer Übererregung (Hyperexzitabilität) der exzitatorischen Neurotransmission führen. Dies würde mit der Hypothese übereinstimmen, dass Epilepsie durch Übererregung ausgelöst werden kann. Aus diesem Grund sind GluN1/GluN2A,B NMDA Rezeptor Antagonisten für die Behandlung neurologischer Erkrankungen, welche durch eine Übererregung ausgelöst werden, wie beispielsweise. Epilepsie, ein vielversprechender Ansatz. Um den möglichen Einsatz von GluN1/GluN2 Antagonisten in der Behandlung von neurologischen Erkrankungen zu validieren, wurden der Effekt und der Mechanismus verschiedener GluN1 Antagonisten an exzitatorischen GluN1/GluN3A NMDA Rezeptoren untersucht. Im Gegensatz zu den konventionellen NMDA Rezeptoren führt eine Antagonisierung der GluN1-Bindestelle zu einer verstärkten Rezeptoraktivierung. Die elektrophysiologische Analyse verschiedener GluN1 Antagonisten zeigte eine Korrelation zwischen der Potenzierung der GluN1/GluN3A Rezeptor-Ströme und der Affinität des jeweiligen Antagonisten. Diese Ergebnisse zeigten somit einen direkten Zusammenhang zwischen der Antagonistenaffinität und der Potenzierungseffizienz.

Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit Mutationen in der GluN2A und GluN2B Untereinheit des NMDA Rezeptors als wichtige, genetische Determinanten, in einigen schweren, altersabhängigen Epilepsien. Diese Ergebnisse sind deutliche Hinweise für eine starke Beteiligung von veränderter NMDA-Rezeptor-Signalübertragung an der Epileptogenese. Weiterhin eröffnen diese Daten die Möglichkeit NMDA Rezeptoren als neue Ziele in der Epilepsie-Behandlung zu nutzen und mit Blockern und Antagonisten zu behandeln, aber zeigt zugleich die Komplexibilität des Einflusses von Antagonisten auf NMDA Rezeptoren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor is a ligand gated ion channel and belongs to the ionotropic glutamate receptor (iGluR) family. The NMDA receptors play a unique role among the iGluRs because of their high Ca2+ permeability and their heterotetrameric assembly. They are central to development and function of the nervous system and are involved in processes like learning and memory. Impairment of NMDA receptors is associated with a wide spectrum of neurological diseases and because of their crucial role in brain development they are of great interest in pathophysiological conditions. NMDA receptors are composed of two obligatory GluN1 subunits and two GluN2(A-D) or GluN3(A,B) subunits. Each subunit has modular domains which are responsible for controlling distinct functions. The extracelluar N-terminal domain (NTD) has a modulatory function and contains binding sites for allosteric ligands like zinc. The ligand binding domain (LBD) contains the agonist binding sites and is connected with the transmembrane domains (TMD). The three TMDs (M1, M2, M3) and the re-entrant pore loop (P-loop) contribute to the formation of the core of the ion channel. The pore loop includes the QRN site, which builds the narrow constriction of the pore and is essential for permeation properties of the receptor. One objective of this work was to analyze the NMDA receptor in pathological conditions, especially the influence of the allosteric modulation mediated through the NTD and the pore region referring to Mg2+ block and Ca2+ permeability. In cooperation with clinical groups we got information about mutations in NMDA receptor subunits from patients with different forms of epilepsy. Selected mutations in the NTD and the ion channel pore were used for site-directed mutagenesis and subsequent functional characterization by two-electrode-voltage-clamp in Xenopus laevis oocytes. The investigation of different mutations revealed strong effects on ion channel function. Modifications of the NTD and the channel pore region led to a gain of function through impairment of different inhibition mechanisms. In the case of the NTD mutation GluN2A p.Ala243Val a loss of Zn2+ inhibition occurred. The pore mutations GluN2A p.Asn615Lys, GluN2B p.Asn615Ile and p.Val618Gly revealed also a reduced Mg2+ block and higher relative Ca2+ permeability. The gain of ion channel function could be a reasonable molecular correlate for the epilepsy syndromes because it results in an overactivation of the receptors, which in neuronal networks could lead to hyperexcitation in excitatory neurotransmission. This is in concordance with the hypothesis that epilepsy proceeds from hyperexcitation. Thus GluN1/GluN2A,B NMDA receptors antagonists are promising tools for treatment of neurological disorders, which results from hyperexcitation, like epilepsy. To validate the potential use of GluN1/GluN2 antagonists in disorder treatment, the effect and mechanism of different GluN1 antagonist at the excitatory GluN1/GluN3A NMDA receptor subtype was analyzed. In contrast to conventional NMDA receptors, antagonizing the GluN1 binding site results in GluN1/GluN3A receptors in an enhanced receptor activation. The analysis of several GluN1 antagonists showed a correlation of the extend of GluN1/GluN3A receptor current increase and the affinity of the respective antagonist. Thus, the results revealed a direct relationship between antagonist affinity and potentiation efficacy. In summary this work presents mutations in the GluN2A and GluN2B subunit of the NMDA receptors as important genetic determinants of some severe forms of age-related epilepsies. The findings reveal strong evidence of the strong contribution of altered NMDA receptor signaling to epileptogenesis. Subsequent the data creates the possibility for NMDA receptors as new targets in epilepsy treatment with NMDA blockers and antagonists, but also reveal the complexity of antagonist impact on the different NMDA receptor subtypes. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Neurosensory Systems
Date Deposited: 23 Feb 2015 13:30
Last Modified: 23 Feb 2015 13:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44119
Referees: Laube, Prof Bodo and Galuske, Prof Ralf
Refereed: 26 January 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4411
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year