Glutamat und Neurotoxizität Stanislav Maksimov

Glutamat und Glutamatrezeptoren Teil I Glutamat und Glutamatrezeptoren

Glutamat Proteinogene Aminosäure Dominierender excitatorischer Neurotransmitter im ZNS Glu ist die Vorstufe des inhibitorischen Signalmoleküls GABA

Glutamat Synthese

GABA-Synthese aus Glu

Ionotrope Glu-Rezeptoren Typen: NMDA NR1, NR2A-D, NR3A AMPA GluR1-4 Kainat GluR5-7, KA1,2 Kommen im ZNS Tetra- und Pentamere Leiten K+, Na+, Ca2+

Topologie von GluR-Ionenkanällen Membrantopologie Natives Kanal

GluR-Zyklus Journal of Neuroscience 2007

Ionotrope Glu-Rezeptoren

NMDAR Binden Glu und Gly (co-Agonist) Für die Aktivierung muss der Mg2+ block durch die Depolarisation entfernt werden (durch schnelle non-NMDAR) Langsamere Kinetik als bei non-NMDAR Spielen eine dominierende Rolle bei der Glu-vermittelten Neurotoxizität Besitzen feine Regulationsmechanismen nonNMDAR werden durch die Glu-Bindung aktiviert und vermitteln eine schenelle exzitatorische Signaltransmission

Glutamat-vermittelete Neurotoxizität (NT) Teil II Glutamat-vermittelete Neurotoxizität (NT)

Historisches 1957: L-Glu-Injektionen zerstörten die innere Retinaschicht bei Mäusen (Lucas & Newhouse) Glu-vermittelte NT wurde vom drastischen Anschwellen der Retinazellen gefolgt Die Auswirkungen waren am stärksten bei den Zellen ausgeprägt, die Glu-R exprimierten Die toxische Wirkung von GluR konnte durch die entsprechenden Antagonisten reduziert werden

Komponenten der Glu-vernitteletn NT Frühe Phase: Anschwellen von Zellen durch den verstärkten Na+-Einstrom Spätere Phase: Verstärkter (unkontrollierter) Ca2+-Einstrom führt zur Aktivierung zahlreicher zellulärer Antworten Zellschäden und -tod

Ca2+ in einer Zelle Einer der wichtigsten sekundären Botenstoffe Reguliert zahlreiche Prozesse (Zellproliferation und –wachstum, Genexpression, Energiemetabolismus, Apoptose usw.) Sehr niedrige intrazelluläre Konzentration (~ 0,1 µM) Ca2+-Haushalt muss sehr streng kontrolliert werden

„Source-specifity“-Hypothese Toxische Wirkung von Ca2+ ist nicht unbedingt der [Ca2+]i direkt proportional Ca2+-Einstrom über NMDAR führt zu einer stärkeren Toxizität als der über non-NMDAR Der Weg des Ca2+-Eintritts ist wichtig NMDAR sind mit Ca2+-sensitiven Elementen (Enzyme, Ca2+-bindende Proteine) assoziiert oder befinden sich in ihrer Nähe

NMDAR und postsynaptische Dichte (PSD) MAGUKs (Klasse der PSD-Proteine) kommen in großen Mengen in Hirnsynapsen vor und sind in das Clustering der Membranrzeptoren involviert NMDAR sind mit spezifischen PSD-Proteinen assoziiert (u.a. mit dem F-actin) PDZ-Domänen von PSD-95, können mit NMDAR und nNOS interagieren (Scaffold-Funktion) NOS kann durch Ca2+ aktiviert werden

Auswirkung der Glu-NT auf Mitochondrien Mitochondrien können viel Ca2+ aufnehmen Bei übermäßiger Ca-Aufnahme bricht das elektrochemische H+-Potential über die innere Mitochondrienmembran zusammen und die ATP-Synthese wird runter reguliert Störungen in der Elektronentransportkette führen zur erhöhten ROS-Produktion (z.B. O2-) Die Zelle versucht Ca raus zu pumpen, was ATP verbraucht, das bereits knapp ist.

ROS in Glu-abhängigen NT O2- und NO reagieren zu ONOO- (Peroxynitrit) NO und ONOO- können Enzyme der Atmungskette inhibieren ROS reagieren mit Lipiden, Proteinen und DNA Aktivierung von ATP-verbrauchenden DNA-Reparaturenzymen => rascher Verbrauch der Energiereserven Wichtige Mediatoren der Glu-NT (direkte oder indirekte )

Glu-NT kann Apoptose induzieren Cytochrom c tritt aus Mitochondrien aus und wird von Apaf-1(apoptosis protease-activating factor) gebunden Apaf-1 wird durch diese Bindung aktiviert und bildet Oligomere Apaf-1 Oligomere rekrutieren Initiator-Procaspase 9 die sich gegenseitig aktivieren Apoptosom (Apaf-1/Caspase9-Komplex) aktiviert Effektor-Caspase 3 Caspase 3 spaltet Zytoskelett-Proteine und aktiviert DNase (DFF40/CAD), die ihrerseits DNA degradiert

Alternative Induktion des programmierten Zelltods Gehirnverletzung und ONOO--Behandlung sind mit dem Austritt von AIF (apoptosis inducing factor) aus den Mitochondrien assoziiert (normalerweise in Mitochondrienmatrix) AIF ist in die Caspase-unabhängige Apoptose-Induktion involviert ist mit DNA-Fragmentierung und Chromosomen-Kondensation assoziiert verändert die Permeabilität von Mitochondrienmembran

Ca2+-abhängige Toxizität

Wann tritt die Glu-vermittelte NT auf Bei mechanischen Schäden des Gehirns Bei Schlaganfall Bei Störungen der Gehirndurchblutung was u.a. zur Hypoxie führt (Ischämie)

Blockieren der Glu-Rezeptoren Therapieansätze Blockieren der Glu-Rezeptoren inaktiviert Ionenkanäle => unterbindet Ca2+-Einstrom nur bei akuten Fällen kann nicht auf Dauer eingesetzt werden Entkopplung der Glu-Rezeptoren von den abwärts liegenden Signalelementen Ionenkanäle bleiben Funktionsfähig Ca2+-abhängige „dowstream signalling“ wird uneffizienter Ca2+ kann immer noch in die Zelle gelangen => Nebenwirkungen möglich

Offene Fragen Welche [Ca2+]i ist für die Zelle toxisch? Signalübertragungs-Komponente stromabwärts von NMDAR und die Signalweiterleitung Beteiligung unterschiedlicher NMDAR an Glu-NT Mechanismen der toxischen Wirkung von ROS

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