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Untersuchungen zur Rolle von 14-3-3-Proteinen beim Wachstum von Neuriten in neuronalen Kulturen
(2004)
In dieser Arbeit konnte per Western-Blot-Analyse gezeigt werden, dass 14-3-3-Proteine ein primär überlappendes Expressionsmuster in den Organen der Ratte Herz, Leber, Niere, Pankreas, Lunge, Milz, Groß- und Kleinhirn, zeigen. 14-3-3 zeta wird in Großhirnhomogenaten wesentlich stärker exprimiert als in allen anderen Organen, auch dem Kleinhirn, was für eine wichtige Rolle bei höheren neurologischen Funktionen sprechen könnte. Daher wurde auf eine isoformspezifische Funktion von 14-3-3 zeta in Nervenzellen spekuliert. Es wurden Deletionsmutanten von 14-3-3 zeta per PCR hergestellt und in den Expressionsvektor pcDNA3.1 kloniert. HEK-Zellen wurden mit diesem Plasmid und pEGFP-C-Aktin, einem Vektor, der die Gene für F-Aktin und grünes Fluoreszenzprotein aneinander gekoppelt enthält, kotransfiziert. Die Konstrukte 14-3-3 zeta-C-Terminus und -Helix 5/6 sollten in den Zellen so reichlich exprimiert werden, dass sie dominant-negativ wirken, indem sie die Funktion des endognen, intakten Proteins unterdrücken. Der generelle Transfektionserfolg zeigte sich durch eine kräftige grüne Anfärbung des neu synthetisierten Aktins in einem Großteil der Zellen. Die Zellen waren sämtlich, egal mit welchem 14-3-3-Konstrukt sie transfiziert waren, zu einer bedarfsgerechten Umlagerung ihres Aktins in wachsenden und sich teilenden Zellen in der Lage und zeigten einen normalen Aktinkortex. Auch morphologische Auffälligkeiten ergaben sich nicht. Die Methode der Aktinfärbung mittels pEGFP-C-Aktin-Transfektion konnte etabliert und mit der Darstellung des Aktins durch fluoreszenzmarkiertes Phalloidin verglichen werden. Ferner konnten durch die Proteinbestimmung in sich differenzierenden PC12-Zellen die unterschiedlichen Expressionsmuster der einzelnen 14-3-3 Isoformen während der Neurogenese und die frühe und drastische Induktion von 14-3-3 epsilon zum Zeitpunkt der Neuritenanlage gezeigt werden. Schließlich wurde die subzelluläre Kompartimentierung der verschiedenen 14-3-3-Isoformen durch Doppelimmunfluoreszenzfärbung gezeigt. Sie haben untereinander sehr ähnliche Expressionsmuster und halten sich überwiegen im Zytoplasma und der perinukleären Region auf. Den Nukleus sparen 14-3-3-Proteine in diesen Zellen im wesentlichen aus und gelangen auch nicht direkt an die Plasmamembran. Die Vesikelpopulation, die mit dem Vesikelmarker Synaptophysin angefärbt wurde, befindet sich in denselben Zellkompartimenten wie 14-3-3, innerhalb derer die beiden Proteine aber räumlich voneinander getrennt bleiben und nicht kolokalisieren.
NMDA-Rezeptoren sind als ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) an der Signalübertragung durch den wichtigen Neurotransmitter L-Glutamat beteiligt. Vor allem aufgrund ihrer Bedeutung für das Phänomen der neuronalen Plastizität sind NMDA-Rezeptoren außerordentlich gründlich untersucht worden. Dennoch sind auch heute noch zentrale Fragen zu ihrer Funktionsweise ungeklärt, darunter auch diejenige, wie auf molekularer Ebene die Umsetzung der Glutamatbindung in die Öffnung des Ionenkanals erfolgt. Publizierte Kristallstrukturen der Liganden-bindungsdomänen zweier iGluRs haben die Grundlage für ein Modell der ligandeninduzierten und der Kanalöffnung vorausgehenden Vorgänge in der Bindungsdomäne geschaffen. Diesem zufolge schließt sich die aus zwei Teildomänen bestehende Bindungsdomäne venusfliegenfallenartig um den Liganden und die dabei entstehende mechanische Spannung führt zur Öffnung des Ionenkanals. Dieses Modell wurde in der vorliegenden Arbeit überprüft. Hierzu wurden verschiedene in der Ligandenbindungsdomäne punktmutierte NR1/NR2A-Rezeptoren heterolog in Säugerzellen exprimiert und durch Glutamat hervorgerufene Gesamtzellströme elektrophysiologisch gemessen. Mittels kinetischer Auswertung wurden dann Aminosäurereste in der Bindungsdomäne identifiziert, die einen Beitrag zur Kanalöffnung leisten. Die notwendige Schnelligkeit der Ligandenzugabe wurde dabei durch dessen photochemische Freisetzung aus einer maskierten und dadurch inaktiven Vorstufe (caged compound) erreicht. Die Ergebnisse bestätigen das Modell der Kopplung der Kanalöffnung an das Schließen der Bindungsdomäne und erweitern das Verständnis der genauen zeitlichen Abfolge der ligandeninduzierten Konformationsänderungen in der Bindungsdomäne. Intramolekulare Wechselwirkungen zwischen den Teildomänen S1 und S2 spielen demnach erst relativ spät im Aktivierungsprozeß eine Rolle und dienen vor allem der Stabilisierung des geschlossenen Zustandes der Bindungsdomäne und damit des offenen Ionenkanals.