Institut für Klinische Neurobiologie
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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.
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.
Die spinale Muskelatrophie ist eine monogenetische Erkrankung, die bereits im Kindesalter aufgrund von Motoneurondegeneration zu Muskelatrophie führt und nicht selten einen tödlichen Verlauf nimmt. Ursache der Erkrankung ist ein Mangel an SMN-Protein. Der hierfür verantwortliche Verlust des SMN1-Gens kann durch das SMN2-Gen aufgrund eines gestörten Spleißprozesses am Exon 7 nicht kompensiert werden. Neben Aufgaben in der RNA-Prozessierung wird das SMN-Protein für den axonalen Transport von Ribonucleinpartikeln in Motoneuronen benötigt, was bei der SMA zu pathologischem Wachstum, Differenzierung und Funktion der Motoraxone führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kultivierte Motoneurone aus einem Mausmodell für die SMA Typ I (Genotyp Smn-/-;SMN2) mit zwei unterschiedlichen Substanzen behandelt und deren Wirkungen auf das präsynaptische Differenzierungsverhalten der Motoneurone verglichen: R-Roscovitine, ein Agonist/Modulator spannungsabhängiger N-Typ- und P/Q-Typ-Kalziumkanäle, welcher zudem eine CDK-inhibierende Wirkung besitzt, sowie Valproat, ein HDAC-Inhibitor, der eine stimulierende Wirkung auf die SMN-Transkription hat. Es zeigte sich, dass R-Roscovitine in der Lage ist, das pathologische Wachstums- und präsynaptische Differenzierungsverhalten der Smn-defizienten Motoneurone zu normalisieren, ohne hierbei Einfluss auf die erniedrigte Menge an Smn-Protein zu nehmen. Die Behandlung mit Valproat beeinflusst hingegen weder die Menge an Smn-Protein, noch die pathologische Differenzierung der Wachstumskegel Smn-defizienter Motoneurone. Erklären lassen sich diese Effekte in erster Linie durch den Agonismus an spannungsabhängigen Kalziumkanälen durch R-Roscovitine. Durch vermehrten Kalziumeinstrom kommt es zur Normalisierung von Struktur und Funktion der Wachstumskegel. Ein CDK-vermittelter Effekt scheint unwahrscheinlich. Obgleich die genauen Vorgänge noch nicht verstanden sind, zeigen diese Ergebnisse, dass sich Smn-defiziente Motoneurone normal entwickeln können, wenn die hierfür erforderlichen kalziumabhängigen präsynaptischen Differenzierungssignale korrekt ausgelöst werden. Bei weiterer Erforschung sind Therapeutika denkbar, die in Zukunft die überwiegend genetisch orientierten Therapieansätze zur Hochregulation der SMN-Expression bei SMA-Patienten über einen von der Genetik unabhängigen Wirkmechanismus unterstützen können.
Neuste Studien haben ergeben, dass Asc-1 Knock-out Mäuse aufgrund einer verminderten intrazellulären Glycinkonzentration in synaptischen Boutons im Gehirn, einen Hyperekplexie-ähnlichen Phänotyp entwickeln. Aufgrund nicht vollständig geklärter Ursachen für die Entstehung des Krankheitsbildes der Hyperekplexie beim Menschen, wurde eine Kohorte von 51 Patienten zusammengetragen, um vor dem Hintergrund der Forschungsergebnisse zu Asc-1 im Tiermodell, das kodierende Gen beim Menschen SLC7A10 als mögliches Kandidatengen auf Sequenzalterationen zu untersuchen. Hierfür wurde aus Vollblut der an Hyperekplexie erkrankten Patienten genomische DNA isoliert, um mittels PCR und anschließendem Screening der Sequenzen, Mutationen innerhalb funktionell wichtiger Bereiche des Gens zu eruieren. Neben weiteren Sequenzunterschieden, die meist in Introns gefunden wurden, wurde die codierende Mutation G307R innerhalb von Exon 7 identifiziert, die letztendlich der Grund für eine Versuchsreihe war, um zu hinterfragen, ob dieser Aminosäureaustausch in der Proteinsequenz funktionelle Konsequenzen zur Folge hat. HEK293-Zellen wurden mit dem zuvor hergestellten Klon G307R transfiziert, um über Biotinylierung, immuncytochemische Färbungen und funktionelle Untersuchungen die Aktivität des Transporters zu beurteilen. Hier zeigte sich ein Funktionsverlust von über 95 %, bei uneingeschränkter Oberflächenexpression. ASC-1 bestätigt sich damit als neue Ursache in der Ausprägung von Hyperekplexie. Ferner können Zusammenhänge mit geistiger Retardierung und eingeschränkter neuronaler Plastizität bestehen.