Glutamat und Neurotoxizität

Stanislav Maksimov

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

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

-)

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)

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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