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Modular design of ionotropic glutamate receptors: Coupling of a viral K+-channel with a glutamate-binding domain

Schönrock, Michael :
Modular design of ionotropic glutamate receptors: Coupling of a viral K+-channel with a glutamate-binding domain.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modular design of ionotropic glutamate receptors: Coupling of a viral K+-channel with a glutamate-binding domain
Language: English
Abstract:

Ionotropic glutamate receptors form the basic structures for rapid excitatory signal transmission in the central nervous system. After the binding of a ligand and the resulting pore opening, they allow an ion flow across the membrane. From an evolutionary point of view, these are highly developed and highly complex structures composed of different domains. There is a ligand binding domain necessary for ligand recognition coupled to the pore which is responsible for the real ion conduction. Extracellular additionally the n-terminal domain and intracellular the c-terminal is located both involved in modulational tasks where the n-terminus should also be responsible for the assembly. Due to the structural similarity and overlaps in the sequence, it has been assumed for years that these highly engineered receptors originally evolved through a fusion of substrate binding proteins and upturned potassium channels. However, attempting to rebuild a glutamate receptor to a potassium selective one or even to install a potassium channel failed. GluR0, a bacterial glutamate receptor, shows an increased potassium selectivity what is a further indication for this theory but could not be merged with mammalian receptor so far. In the first chapter I can show that it is possible to insert a rudimentary potassium channel (KcvATCV-1) in an inverted orientation into the cell membrane. This property fits perfect to the idea to exchange the pore of a glutamate receptor to make it potassium selective. In the second chapter I designed a chimera out of a KcvATCV-1 and a highly developed glutamate receptor (GluA1). Using this chimera, I demonstrated that it is possible to gate a potassium channel by the gating machinery of a glutamate receptor. In this chimeric receptor the most important pharmacological parameters of the GluA1 are obtained even though the selectivity of the KcvATCV-1 is transferred. The studied main characteristics of the potassium channel, the barium block and also the selectivity are still present as well as the effects of certain mutations on channel behavior. In turn, the chimera still reacts to the same agonists and antagonists as the origin receptor. Interestingly, not even the apparent affinity for the tested agonists and antagonists was affected in the chimeric receptor. In the third chapter, a connection to the bacterial GluR0 could be opened. Mammalian wild-type receptors, unlike GluR0, possess an essential extra transmembrane domain. Removing of this extra transmembrane domain in mammalian receptors makes them unfunctional. Interestingly this third TM can be removed in the chimera. A function, albeit with a reduced affinity for glutamate, is still present.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ionotrope Glutamatrezeptoren bilden die Grundstrukturen für eine schnelle erregende Signalübertragung im zentralen Nervensystem. Sie erlauben nach der Bindung eines Liganden und der daraus resultierenden Porenöffnung einen Ionenfluss über die Membran. Evolutiv gesehen handelt es sich hierbei um hochentwickelte und hoch komplexe Strukturen, die aus unterschiedlichen Domänen zusammengesetzt sind. Es gibt eine für die Ligandenerkennung notwendige Ligandenbindungsdomäne, die an eine Pore gekoppelt ist, welche die eigentliche Ionenleitung verantwortet. Zusätzlich hierzu befinden sich extrazellulär die n-terminalen Domäne und intrazellulär die c-terminale Domäne. Beide sind an modulatorischen Aufgaben beteiligt, wobei die n-terminale Domäne auch für die Assemblierung verantwortlich sein soll. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von Glutamatrezeptoren mit Substratbindeproteinen und Kaliumkanälen und einer zusätzlichen Überschneidung in ihrer Sequenz wird seit Jahren davon ausgegangen, dass sich diese hoch entwickelten Rezeptoren ursprünglich durch eine Fusion aus beiden entwickelt haben. Der Versuch, einen Glutamatrezeptor zu einem kaliumselektiven Rezeptor umzubauen oder sogar einen Kaliumkanal zu integrieren, scheiterte bisher jedoch. GluR0, ein bakterieller Glutamatrezeptor, zeigt eine erhöhte Kaliumselektivität. Trotz dieses weiteren Hinweises für diese Theorie, konnte weiterhin keine Fusion eines Kaliumkanals mit einem Säugetierrezeptor gezeigt werden. Im ersten Kapitel kann ich zeigen, dass es möglich ist, einen rudimentären Kaliumkanal (KcvATCV-1) in umgekehrter Ausrichtung in die Zellmembran einzubringen. Diese Eigenschaft passt perfekt zu der Idee, die Pore eines Glutamatrezeptors auszutauschen, um diesen dadurch kaliumselektiv zu machen. Im zweiten Kapitel entwerfe ich eine Chimäre aus einem einfachen KcvATCV-1 und einem hoch entwickelten Glutamatrezeptor (GluA1). Mit dieser Chimäre kann ich zeigen, dass es möglich ist, einen Kaliumkanal durch die Gating-Maschinerie eines Glutamatrezeptors zu steuern. In diesem chimären Rezeptor bleiben die wichtigsten pharmakologischen Parameter des GluA1 erhalten, obwohl die Selektivität des KcvATCV-1 übertragen wird. Die untersuchten Hauptmerkmale des Kaliumkanals, der Bariumblock und auch die Selektivität, sind noch vorhanden ebenso wie die Auswirkungen bestimmter Mutationen auf das Kanalverhalten. Die Chimäre wiederum reagiert immer noch auf die gleichen Agonisten und Antagonisten wie der ursprüngliche Rezeptor. Interessanterweise ist auch die apparente Affinität zu den getesteten Agonisten und Antagonisten im chimären Rezeptor nicht beeinträchtigt. Im dritten Kapitel kann eine Verbindung zum bakteriellen GluR0 hergestellt werden. Säugetier-Rezeptoren besitzen im Gegensatz zum GluR0 eine zusätzliche Transmembrandomäne deren Entfernung diese funktionsunfähig macht. Interessanterweise kann dieses dritte TM in der Chimäre entfernt werden. Eine Funktion, wenn auch mit verminderter Affinität zu Glutamat, ist noch vorhanden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Neurophysiology and Neurosensory Systems
Date Deposited: 28 Mar 2019 10:12
Last Modified: 28 Mar 2019 10:12
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-85562
Referees: Laube, Prof. Dr. Bodo and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 13 March 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8556
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  • Modular design of ionotropic glutamate receptors: Coupling of a viral K+-channel with a glutamate-binding domain. (deposited 28 Mar 2019 10:12) [Currently Displayed]
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