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Der Glycin-Rezeptor ist Teil der inhibitorischen liganden-gesteuerten Ionenkanäle im ZNS und wird am stärksten im adulten Rückenmark sowie im Hirnstamm exprimiert. In der Nerv-Muskel-Synapse sind GlyR für die rekurrente Hemmung der Motoneuronen wichtig und steuern das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung der Muskelzellen. Für die glycinerge Neurotransmission sind neben den präsynaptischen GlyR 𝛼1 insbesondere postsynaptische GlyR 𝛼1/𝛽 verantwortlich. Durch Mutationen des GlyR entsteht das Erkrankungsbild der Hyperekplexie mit übersteigerter Schreckhaftigkeit, Muskelsteifheit und Apnoe. Hauptursächlich dafür sind Mutationen im GLRA1-Gen. Die shaky Maus stellt ein gutes Modell zur Erforschung dieser seltenen Erkrankung dar.
Die shaky Missense-Mutation Q177K in der extrazellulären 𝛽8-𝛽9 Schleife der Glycin- Rezeptor-𝛼1-Untereinheit zeigte strukturell ein gestörtes Wasserstoffbrückennetzwerk. Funktionell konnten eingeschränkt leitfähige Ionenkanäle identifiziert werden. Der letale Phänotyp äußert sich beim homozygoten shaky Tier durch Schrecksymptome mit einem einhergehenden zunehmenden Gewichtsverlust. Die Quantifizierung der Oberflächenexpression deutete auf einen Verlust synaptischer GlyR 𝛼1/𝛽 hin. Aussagen bezüglich der GlyR-𝛽-Untereinheit, die Teil des synaptischen GlyR Komplexes ist, waren aufgrund fehlender stabiler Antikörper bisher nicht möglich. Das neuartige KI- Mausmodell Glrb eos exprimiert endogen fluoreszierende 𝛽 -Untereinheiten und ermöglicht damit erstmalig eine Betrachtung der GlyR- 𝛽-Expression in Tiermodellen der Startle Erkrankung.
Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen der shaky Mutation auf die Interaktion mit der 𝛽 -Untereinheit und Gephyrin zu erforschen. Dafür wurden Markerproteine der glycinergen Synapse in Rückenmarksneuronen der Kreuzung Glrb eos x Glra1 sh gefärbt und quantifiziert. Die durchgeführte Gewichtsbestimmung der Nachkommen im zeitlichen Verlauf zeigte keinen Einfluss der eingefügten mEos4b-Sequenz auf das Körpergewicht der Tiere und schließt damit funktionelle Einschränkungen bedingt durch die mEos4b-Sequenz aus. Zur Verstärkung des 𝛽 eos-Signals wurde ein Antikörper verwendet. Die Quantifizierung der GlyR- 𝛽- Untereinheit an Rückenmarksneuronen zeigte für homozygote shaky Tiere im Vergleich zum Wildtyp signifikant reduzierte 𝛽eos Oberflächenexpressionen in Gephyrin Clustern sowie signifikant erniedrigte Kolokalisationen von Gephyrin/𝛼1, 𝛽eos/𝛼1 und 𝛽eos/Gephyrin. Die mutierte GlyR-𝛼1- Untereinheit wurde hingegen vermehrt an der Oberfläche in shaky Tieren exprimiert. Die Ergebnisse der Rückenmarksschnitte unterstützen diese Befunde aus den Primärneuronen. Die Untersuchung der Präsynapse erbrachte für Glrb eos/eos x Glra1 sh/sh eine signifikant verminderte Synapsin und Synapsin/𝛼1 Expression.
Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern die Daten früherer Arbeiten zur shaky Maus und zeigen einen starken Verlust synaptischer GlyR 𝛼 1/ 𝛽 an der Oberfläche von Motoneuronen. Ein möglicher kompensatorischer Versuch durch erhöhte 𝛼1 Expression bleibt infolge der Funktionsbeeinträchtigung dieser mutierten GlyR- 𝛼 1 Rezeptoren erfolglos mit letalem Ausgang. In vorherigen Arbeiten wurde vermutet, dass die Mutation in der extrazellulären Bindungsstelle in der Lage ist, Konformationsänderungen in die TM3-TM4-Schleifenstruktur zu übertragen und dadurch die Gephyrin Bindung und synaptische Verankerung zu stören. Die Daten dieser Arbeit stützen diese Annahme und weisen darüber hinaus auf eine gestörte Rezeptorkomplexbindung hin. Die vorliegende Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Startle Erkrankung auf synaptischer Ebene bei.
Ionotropic glycine receptors (GlyRs) enable fast synaptic neurotransmission in the adult spinal cord and brainstem. The inhibitory GlyR is a transmembrane glycinegated chloride channel. The immature GlyR protein undergoes various processing steps, e.g., folding, assembly, and maturation while traveling from the endoplasmic reticulum to and through the Golgi apparatus, where post-translational modifications, e.g., glycosylation occur. The mature receptors are forward transported via microtubules to the cellular surface and inserted into neuronal membranes followed by synaptic clustering. The normal life cycle of a receptor protein includes further processes like internalization, recycling, and degradation. Defects in GlyR life cycle, e.g., impaired protein maturation and degradation have been demonstrated to underlie pathological mechanisms of various neurological diseases. The neurological disorder startle disease is caused by glycinergic dysfunction mainly due to missense mutations in genes encoding GlyR subunits (GLRA1 and GLRB). In vitro studies have shown that most recessive forms of startle disease are associated with impaired receptor biogenesis. Another neurological disease with a phenotype similar to startle disease is a special form of stiff-person syndrome (SPS), which is most probably due to the development of GlyR autoantibodies. Binding of GlyR autoantibodies leads to enhanced receptor internalization. Here we focus on the normal life cycle of GlyRs concentrating on assembly and maturation, receptor trafficking, post-synaptic integration and clustering, and GlyR internalization/recycling/degradation. Furthermore, this review highlights findings on impairment of these processes under disease conditions such as disturbed neuronal ER-Golgi trafficking as the major pathomechanism for recessive forms of human startle disease. In SPS, enhanced receptor internalization upon autoantibody binding to the GlyR has been shown to underlie the human pathology. In addition, we discuss how the existing mouse models of startle disease increased our current knowledge of GlyR trafficking routes and function. This review further illuminates receptor trafficking of GlyR variants originally identified in startle disease patients and explains changes in the life cycle of GlyRs in patients with SPS with respect to structural and functional consequences at the receptor level.
Startle disease is a rare disorder associated with mutations in GLRA1 and GLRB, encoding glycine receptor (GlyR) α1 and β subunits, which enable fast synaptic inhibitory transmission in the spinal cord and brainstem. The GlyR β subunit is important for synaptic localization via interactions with gephyrin and contributes to agonist binding and ion channel conductance. Here, we have studied three GLRB missense mutations, Y252S, S321F, and A455P, identified in startle disease patients. For Y252S in M1 a disrupted stacking interaction with surrounding aromatic residues in M3 and M4 is suggested which is accompanied by an increased EC\(_{50}\) value. By contrast, S321F in M3 might stabilize stacking interactions with aromatic residues in M1 and M4. No significant differences in glycine potency or efficacy were observed for S321F. The A455P variant was not predicted to impact on subunit folding but surprisingly displayed increased maximal currents which were not accompanied by enhanced surface expression, suggesting that A455P is a gain-of-function mutation. All three GlyR β variants are trafficked effectively with the α1 subunit through intracellular compartments and inserted into the cellular membrane. In vivo, the GlyR β subunit is transported together with α1 and the scaffolding protein gephyrin to synaptic sites. The interaction of these proteins was studied using eGFP-gephyrin, forming cytosolic aggregates in non-neuronal cells. eGFP-gephyrin and β subunit co-expression resulted in the recruitment of both wild-type and mutant GlyR β subunits to gephyrin aggregates. However, a significantly lower number of GlyR β aggregates was observed for Y252S, while for mutants S321F and A455P, the area and the perimeter of GlyR β subunit aggregates was increased in comparison to wild-type β. Transfection of hippocampal neurons confirmed differences in GlyR-gephyrin clustering with Y252S and A455P, leading to a significant reduction in GlyR β-positive synapses. Although none of the mutations studied is directly located within the gephyrin-binding motif in the GlyR β M3-M4 loop, we suggest that structural changes within the GlyR β subunit result in differences in GlyR β-gephyrin interactions. Hence, we conclude that loss- or gain-of-function, or alterations in synaptic GlyR clustering may underlie disease pathology in startle disease patients carrying GLRB mutations.
Mutations in GlyR α1 or β subunit genes in humans and rodents lead to severe startle disease characterized by rigidity, massive stiffness and excessive startle responses upon unexpected tactile or acoustic stimuli. The recently characterized startle disease mouse mutant shaky carries a missense mutation (Q177K) in the β8-β9 loop within the large extracellular N-terminal domain of the GlyR α1 subunit. This results in a disrupted hydrogen bond network around K177 and faster GlyR decay times. Symptoms in mice start at postnatal day 14 and increase until premature death of homozygous shaky mice around 4–6 weeks after birth. Here we investigate the in vivo functional effects of the Q177K mutation using behavioral analysis coupled to protein biochemistry and functional assays. Western blot analysis revealed GlyR α1 subunit expression in wild-type and shaky animals around postnatal day 7, a week before symptoms in mutant mice become obvious. Before 2 weeks of age, homozygous shaky mice appeared healthy and showed no changes in body weight. However, analysis of gait and hind-limb clasping revealed that motor coordination was already impaired. Motor coordination and the activity pattern at P28 improved significantly upon diazepam treatment, a pharmacotherapy used in human startle disease. To investigate whether functional deficits in glycinergic neurotransmission are present prior to phenotypic onset, we performed whole-cell recordings from hypoglossal motoneurons (HMs) in brain stem slices from wild-type and shaky mice at different postnatal stages. Shaky homozygotes showed a decline in mIPSC amplitude and frequency at P9-P13, progressing to significant reductions in mIPSC amplitude and decay time at P18-24 compared to wild-type littermates. Extrasynaptic GlyRs recorded by bath-application of glycine also revealed reduced current amplitudes in shaky mice compared to wild-type neurons, suggesting that presynaptic GlyR function is also impaired. Thus, a distinct, but behaviorally ineffective impairment of glycinergic synapses precedes the symptoms onset in shaky mice. These findings extend our current knowledge on startle disease in the shaky mouse model in that they demonstrate how the progression of GlyR dysfunction causes, with a delay of about 1 week, the appearance of disease symptoms.
Mutationen im Glycintransporter 2 (GlyT2) stellen die präsynaptische Komponente der neurologischen Erkrankung Hyperekplexie oder Startle Disease dar. Der neuronale Na+/Cl- -abhängige GlyT2 ist für das Recycling von Glycin verantwortlich und bildet an inhibitorischen glycinergen Synapsen die Hauptquelle des freigesetzten Transmitters. Dominante, rezessive und zusammengesetzte heterozygote Mutationen wurden bereits identifiziert, von denen die meisten zu einer beeinträchtigten Glycinaufnahme führen. In dieser Arbeit konnten wir eine neue pathogene Mutation innerhalb des neuronalen Glycintransporter-2-Gens (SLC6A5, OMIM604159) in einer Familie identifizieren, in der beide Elternteile heterozygote Träger waren. Ein homozygotes Kind litt an schweren neuromotorischen Defiziten, wohingegen Heterozygote keine Symptome aufwiesen. Die neue rezessive Mutation c.1286C>T erzeugte einen missense Aminosäureaustausch von Prolin gegen Leucin an Position 429 (pP429L) in der Transmembrandomäne 5. Wir haben die GlyT2P429L-Variante mittels Homologiemodellierung, immuncytochemischer Färbungen, Western Blot Analysen, Biotinylierung und funktioneller Glycinaufnahmetests charakterisiert. Der mutierte GlyT2 zeigte beim Proteintransport durch verschiedene intrazelluläre Kompartimente zur Zelloberfläche keine Defizite. Die gesamte Proteinexpression war jedoch signifikant verringert. Obwohl GlyT2P429L an der Zelloberfläche vorhanden ist, zeigte er einen Verlust der Proteinfunktion. Die Co-Expression der Mutante mit dem Wildtyp-Protein, die die Situation der Eltern widerspiegelte, hatte keinen Einfluss auf die Transporterfunktion und erklärte somit ihren nicht symptomatischen Phänotyp. Wenn jedoch die Mutante im Vergleich zum Wildtyp-Protein im Überschuss exprimiert wurde, war die Glycinaufnahme signifikant verringert. Die Strukturanalyse ergab, dass der eingeführte Leucinrest an Position 429 zu Konformationsänderungen in der α-Helix 5 führt, die in unmittelbarer Nähe zur Natriumbindungsstelle des Transporters lokalisiert sind. Dies deutet darauf hin, dass die Zugangsmechanismen des GlyT2 gestört sein könnten und einen vollständigen Verlust der Transportaktivität verursachen. Unsere Ergebnisse belegen, dass P429 in GlyT2 ein strukturell wichtiger Aminosäurerest ist, der eine wichtige funktionelle Rolle beim Glycintransport spielt.