Thomas Kuner
Dr. med.
Isoform-spezifische Wirkungen von Ethanol, Argiotoxin636 und Magnesium (II) Ionen auf
N-Methyl-D-Aspartat Rezeptorkanäle: Funktionelle Charakterisierung und Bestimmung
struktureller Determinanten
Studiengang der Fachrichtung Medizin vom SS 1988 bis WS 1997/98
Physikum am 29.03.90 an der Universität Heidelberg
Klinisches Studium in Heidelberg
Praktisches Jahr in Heidelberg
Staatsexamen am 06.05.1998 an der Universität Heidelberg
Promotionsfach: Physiologie
Doktorvater: Prof. Dr. med. B. Sakmann
N-Methyl-D-Aspartat Rezeptorkanäle (NMDAR) bilden eine Untergruppe der Familie ionotroper
Glutamatrezeptoren. Aufgrund ihrer biophysikalischen Eigenschaften spielen sie eine besondere
Rolle bei der Ausprägung neuronaler Schaltkreise während der Gehirnentwicklung, bei der
synaptischen Lernfähigkeit und bei der durch Glutamat verursachten Neurotoxizität. Funktionelle
Vielfalt dieser Rezeptoren entsteht durch das räumlich-zeitlich definierte Expressionsmuster der vier
NR2 Isoformen, welche dem Ionenkanal unterschiedliche Eigenschaften verleihen.
In dieser Arbeit wurden die Isoform-spezifischen Wechselwirkungen von Ethanol, Argiotoxin636 und
Mg2+ mit rekombinanten NMDAR untersucht sowie deren strukturelle Determinanten bestimmt. Der
Auswahl dieser Substanzen liegt die Überlegung zugrunde, klinisch, pharmakologisch und
physiologisch bedeutsame Aspekte der Isoformspezifität beispielhaft darzustellen. Die NR1-NR2A
und NR1-NR2B Isoformen wiesen für alle Substanzen stärkere Effekte auf, als die NR1-NR2C und
NR1-NR2D Isoformen. Dies erlaubt die Einteilung der NR2-Untereinheiten in eine "hochaffine" und
eine "niederaffine" Untergruppe. Interessanterweise kann diese Einteilung auch auf der Ebene der
Proteinsequenzen nachvollzogen werden: innerhalb der Untergruppen sind größere Ähnlichkeiten zu
verzeichnen als zwischen den Untergruppen. Aufgrund dieser Voraussetzung gelang es auch, die
Bereiche des Proteins zu identifizieren, welche die Isoformspezifität für die kanalblockierenden
Substanzen Argiotoxin636 und Mg2+ festlegen: die beiden Transmembransegmente M1 und M4
sowie das Membran-angelagerte L2 Segment. Dies erlaubt die Vorhersage, daß diese Bereiche,
möglicherweise als Bestandteile der extrazellulären Kanalwand, prinzipiell die Isoformspezifität von
kanalblockierenden Substanzen vermitteln.
Die Genußdroge Ethanol beeinflußt bereits bei geringen Konzentrationen Lernfähigkeit und
Konzentration, erst bei höheren Konzentrationen treten Störungen von Koordination und
Gleichgewichtssinn auf. Die hier gefundenen, höherempfindlichen Isoformen sind vorwiegend im
Hippocampus lokalisiert, einer für Lernen wichtigen Gehirnstruktur, wogegen niederempfindliche
Isoformen vorwiegend im Kleinhirn lokalisiert sind, welches Koordination und Gleichgewicht
kontrolliert. Somit kann die Isoform-spezifische Hemmung durch Ethanol mit der anatomischen
Region in der diese Isoformen lokalisiert sind und den neuropsychologischen Fehlfunktionen in
Verbindung gebracht werden.
Das Polyaminamidtoxin Argiotoxin636 blockiert die Isoformen der beiden Untergrupen mit einer bis
zu 100-fach unterschiedlichen Affinität. Aufgrund dieser Eigenschaften kann Argiotoxin636 als
molekulare Sonde zur Unterscheidung nativer NMDAR Isoformen eingesetzt werden. Die bekannte
Struktur des Toxins und die Kenntnis der Proteinbereiche mit denen es wechselwirkt, erlauben
Rückschlüsse auf die Größe des extrazellulären Kanaleingangs. NMDAR Blocker können in
pathophysiologischen Situationen den neuronalen Zelltod signifikant reduzieren. Deshalb kommt
Argiotoxin636 auch als Leitsubstanz für die Entwicklung von Neuroprotektiva in Betracht.
Der spannungsabhängige Block durch Mg2+ verleiht dem NMDAR die Funktion eines
Rechenelements. Das Ausmaß der Spannungsabhängigkeit entscheidet über die Genauigkeit
("Schärfe"), mit der eine Entscheidung über "gleichzeitiges Zusammentreffen wichtiger Information"
getroffen werden kann. Hier wurde gezeigt, daß sich die beiden Untergruppen in der
Spannungsabhängigkeit des Mg2+ Blocks unterscheiden und dementsprechend einer Nervenzelle zu
mehr oder weniger "scharfem Denken" verhelfen können. Die stärker spannungsabhängige Isoform
ist vorwiegend im Hippocampus lokalisiert, was sehr gut mit seiner grundlegenden Funktion für
Lernen und Gedächtnis übereinstimmt. Diese Ergebnisse tragen dazu bei, die in vivo beschriebene,
entwicklungsabhängige Änderung der Spannungsabhängigkeit des Mg2+ Blocks mit der
Anwesenheit definierter Isoformen zu erklären. Die Bestimmung von Strukturdeterminanten des
Isoform-spezifischen Mg2+ Blocks schafft die Basis für die Herstellung rekombinanter Tiere und
erweitert damit die Möglichkeiten, die Bedeutung Isoform-spezifischer Eigenschaften im
physiologischen Modell zu untersuchen.
