Ionotropic glutamate receptor dysfunction in pediatric neurodevelopment

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