Dokument: Cell specific analysis of AMPA receptor complexes in development and disease

Titel:	Cell specific analysis of AMPA receptor complexes in development and disease
Weiterer Titel:	Zellspezifische Analyse von AMPA-Rezeptorkomplexen während der Entwicklung und bei Erkrankung
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=48045
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181213-105824-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mölders, Andrea [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,30 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.12.2018 / geändert 12.12.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Klöcker, Nikolaj [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	L-Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem der Wirbeltiere. AMPA-Rezeptoren (AMPARs) sind für den Großteil der schnellen exzitatorischen Neurotransmission zuständig, daher spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Gehirnfunktion von Säugetieren. Darüber hinaus sind sie an der Gehirnentwicklung, der neuronalen Migration sowie der synaptischen Reifung beteiligt. Es gibt vier verschiedene AMPA-Rezeptor-Untereinheiten, GluA1-GluA4, welche Homotetramere oder Heterotretramere bilden können. Alle Untereinheiten weisen leicht unterschiedliche funktionelle und elektrophysiologische Eigenschaften auf. Weiterhin wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Hilfsuntereinheiten und interagierende Proteine des nativen AMPAR-Komplexes entdeckt. Sie beeinflussen die Oberflächenexpression von AMPARs und/oder deren funktionelle Eigenschaften. Tatsächlich haben native AMPAR-Komplexe eine hohe molekulare Komplexität, ihre Funktionen verändern sich in der Entwicklung und unterscheiden sich zwischen Hirnregionen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der molekularen und funktionellen Diversität von AMPARs und untersucht die Diversität in Abhängigkeit von verschiedenen Zelltypen, verschiedenen Entwicklungsstadien und Hirnregionen sowie bei Erkrankung. Zu Beginn wurde die Expression von Cornichon Proteinen (CNIHs) während der Entwicklung sowie deren Zusammenhang mit der AMPAR-Komplexzusammensetzung untersucht. Die Untersuchung zeigte, dass CNIH2 und CNIH3 während der Entwicklung stark reguliert sind und ihre Expression zu den GluA-Untereinheiten reziprok ist. Jedoch fanden wir heraus, dass sich das relative Verhältnis von CNIH2/3, das in AMPARs integriert ist, während der Entwicklung nicht veränderte. Daher ist zu vermuten, dass es in der frühen Entwicklung einen Überschuss an AMPAR-freiem CNIH2/3 gibt. Diese Menge an AMPAR-freiem CNIH2/3 nahm im Laufe der Entwicklung ab, während die absolute Menge an CNIH2/3, die in AMPAR-Komplexe integriert ist, zunahm. Unsere Daten zeigten, dass CNIHs für AMPARs in der Entwicklung an Bedeutung gewinnen und möglicherweise die Oberflächenexpression von AMPARs während der Entwicklung erhöhen. Daher scheinen CNIHs eine entscheidende Rolle bei der Synapsenreifung während der Gehirnentwicklung spielen. Im Anschluss wurde die AMPAR-Zusammensetzung und Funktion im Krankheitsmodell der hepatischen Enzephalopathie (HE), einer neuropsychiatrischen Komplikation des Leberversagens, die zu kognitiven Defiziten führt, untersucht. Wir haben ein Co-Kultur-Modell von Neuronen und Astrozyten verwendet, um das Zusammenspiel zwischen Neuronen und Astrozyten während der synaptischen Entwicklung sowie während der Ammoniumbehandlung nachzuahmen. Die chronische Ammoniumbehandlung verursachte eine Reduktion der neuronalen AMPAR Expression. Diese betraf hauptsächlich die extrasynaptischen Komplexe, da die spontane glutamaterge Neurotransmission nicht verändert wurde, wohl aber die Induktion von LTP nicht mehr möglich war. Diese Untersuchung unterstützt die Annahme, dass für LTP ein extrasynaptischer Reservepool von Glutamatrezeptoren benötigt wird. Unsere Studie ist die erste pathophysiologische Untersuchung, die diese Hypothese unterstützt und in der diese Veränderung der AMPAR-Funktion ein entscheidender Schritt bei der Entstehung der Krankheit sein könnte. Im letzten Schritt wurde der native AMPAR-Komplex in Astrozyten analysiert, da AMPARs nicht ausschließlich neuronale Rezeptoren sind und ihre Zusammensetzung und funktionelle Rolle in z. B. Gliazellen nahezu unbekannt ist. Wir entwickelten einen experimentellen Workflow, der es uns ermöglichte, Astrozyten selektiv aufzureinigen sowie die AMPAR Zusammensetzung spezifisch in Astrozyten zu untersuchen. Die Untersuchung zeigte, dass sich das mRNA Expressionsmuster der AMPARs aus Gesamthirn Astrozyten zwischen den ersten zwei Wochen der Entwicklung nicht unterscheidet, anders als während der neuronalen Entwicklung. Stattdessen identifizierten wir eine große Heterogenität in den Expressionsmustern von astrozytären AMPARS aus Kleinhirn, Neocortex und Hippocampus. Unsere Studie gibt einen ersten Einblick in die molekulare Vielfalt astrozytärer AMPARs. Die Daten, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, veranschaulichen die molekulare und funktionelle Vielfalt von AMPARs in Bezug auf Entwicklungsstadien, verschiedene Hirnregionen und Zelltypen sowie in einem Modell einer Erkrankung. Seit der Entdeckung der Hilfsuntereinheiten und interagierende Proteine scheint es, dass es ein hochmodulares System für AMPARs gibt, das zu einer vielfältigen Zusammensetzung sowie verschiedenen AMPAR Funktionen führt. Dieses modulare System von AMPARs ermöglicht es den Zellen, je nach Aufgabenstellung unterschiedliche AMPARs zu bilden. Allerdings sind bis zum heutigen Zeitpunkt weder das Ausmaß noch die Komplexität dieser Heterogenität vollständig geklärt. Wie diese dann in funktionelle Heterogenität umgesetzt wird, ist ebenfalls unklar. Die vorgestellten Ergebnisse können als Grundlage für die zukünftige Erforschung der Diversität von AMPARs in der normalen Hirnfunktion und Krankheit dienen. L-Glutamate is the major excitatory neurotransmitter in the vertebrate central nervous system, and the glutamate receptors of the AMPA subtype (AMPARs) play a crucial role in mammalian brain function. They mediate most of the fast excitatory neurotransmission and are involved in brain development, neuronal migration, and synaptic maturation. The AMPAR family contains four pore-lining subunits, GluA1-GluA4, and they can assemble in a homomeric or heteromeric fashion into a tetrameric receptor. All subunits exhibit slightly different gating properties. Furthermore, over the last decades, multiple auxiliary subunits, and constituents of the native AMPAR complex have been discovered. They influence the trafficking of AMPARs and/or fine-tune their functional properties. In fact, native AMPAR complexes show a high molecular complexity and their function changes in development and with brain region. The present work addresses the molecular and functional diversity of AMPARs depending on different cell types, different developmental stages, and brain regions as well as in disease. First, the developmental expression of cornichon homologs (CNIHs) and their relation with the AMPAR pore composition was investigated. The study showed CNIH2 and CNIH3 are highly regulated during development and their expression is reciprocal to the one of GluA subunits. However, we found that the relative ratio of CNIH2/3 integrated into AMPARs did not change during development. Thus, there is most likely an excess amount of AMPAR-free CNIH2/3 in early development. This amount of AMPAR-free CNIH2/3 declined towards adulthood, whereas the absolute amount of CNIH2/3 integrated into AMPAR complexes did increase during development. Our data indicate that CNIHs gain importance for AMPARs in development and suggest that they may increase surface expression of AMPARs during development. Therefore, CNIHs may play a crucial role in synapse maturation during brain development. Second, the AMPAR composition and function in the disease model of hepatic encephalopathy (HE), a neuropsychiatric complication of liver failure leading to cognitive deficits, was examined. We employed a co-culture model of neurons and astrocytes to mimic the interplay between neurons and astrocytes not only during the following ammonia treatment but also to model synaptic development and maturation before it. We found that chronic ammonia treatment caused a reduction of the neuronal AMPAR expression, mainly affecting the extrasynaptic complexes since basal glutamatergic neurotransmission was not altered, but the induction of LTP was abolished. This study supports the previous assumption that LTP requires a reserve pool of extrasynaptic glutamate receptors. Our study revealed the first pathophysiological setting, which supports this hypothesis and where this alteration in AMPA function seems to be a crucial step in the pathogenesis. Third, the native AMPAR complex in astrocytes was analyzed, since AMPARs are not exclusively neuronal receptors and their complex composition and functional role in glial cells have remained elusive. We developed an experimental workflow, which allowed us to purify astrocytes selectively and to examine the astrocytic AMPAR composition. The study revealed that the mRNA expression pattern of AMPARs in isolated whole brain astrocytes does not change during the first two weeks of postnatal development, unlike during neuronal development. Instead, we identified significant heterogeneity in the expression of AMPAR constituents in astrocytes from cerebellum, neocortex, and hippocampus. Our study provides a first insight into the molecular diversity of astrocytic AMPARs. The data presented in this thesis illustrates the molecular and functional diversity of AMPARs with respect to developmental stages, health and disease, and different brain regions as well as cell types. Since the identification of quite a number of AMPAR complex constituents, it seems that a highly modular system exists for AMPARs resulting in diverse AMPAR complex composition and AMPAR function. The modular system of AMPARs with all the constituents enables the cells to build different AMPARs depending on their task. However, up to now, the full extent and complexity of this heterogeneity are not even fully unraveled, and how this is translated into functional heterogeneity is still elusive. The presented results can serve as a stepping stone for future research of AMPARs diversity in health and disease.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie
Dokument erstellt am:	13.12.2018
Dateien geändert am:	13.12.2018
Promotionsantrag am:	06.04.2018
Datum der Promotion:	25.06.2018