Veränderungen der Neurotransmitter bei Etherlipid-Mangel

Etherlipide bilden eine Klasse von Lipiden, die sich durch ihre O-Alkyl-Bindung an der sn-1-Position ihres Glycerin-Rückgrats auszeichnen und deren erste Biosyntheseschritte im Peroxisom ablaufen. Plasmalogene, die wichtigsten Etherlipide, haben große physiologische Bedeutung, zum Beispiel als strukturgebende Moleküle in der Zellmembran, als Speicher mehrfach ungesättigter Fettsäuren oder als Radikalfänger. Ein Mangel an Etherlipiden, der durch Mutationen in den entsprechenden peroxisomalen Enzymen hervorgerufen wird, führt im Menschen zu einer schweren Krankheit, rhizomelischer Chondrodysplasia punctata (RCDP). Obwohl Häufigkeit und Wichtigkeit, besonders für das Zentralnervensystem, von Plasmalogenen bereits lange bekannt sind, herrscht über deren genaue Rolle und die molekularen Konsequenzen von Plasmalogenmangel nach wie vor Unklarheit. Über die Bedeutung von Plasmalogenen für den Vorgang der Neurotransmission, bei dem Signale von einer Nervenzelle zur nächsten weitergeleitet werden, wurde mehrfach spekuliert, sie konnte jedoch nie gezeigt werden. Unsere Vorexperimente deuten auf gravierende Neurotransmitter-Abnormitäten bei Etherlipiddefizienz hin. Daher wollen wir in diesem Projekt die Rolle der Plasmalogene bei der Neurotransmission genauer beleuchten. Mit Hilfe eines Knockout- Mausmodells, das keine Etherlipide herstellen kann, sowie von humanem Autopsiematerial von RCDP-Patienten wollen wir im Detail den Einfluss von Etherlipidmangel auf Neurotransmitter und die Neurotransmission klären. Außerdem zielen wir darauf ab, zugrunde liegende molekulare Mechanismen für die gezeigten Veränderungen zu identifizieren. Zusätzlich wollen wir die Folgen von Etherlipiddefizienz für das Verhalten im Mausmodell untersuchen. Bereits mehrfach wurde gezeigt, dass orale Gabe von Etherlipidvorläufern die Plasmalogenmengen in der Peripherie, nicht aber im Gehirn, erhöhen kann. Wir haben eine Hypothese entwickelt, die erklären kann, warum diese Vorläufersubstanzen, die den schweren Beeinträchtigungen bei Etherlipiddefizienz entgegen wirken könnten, das Säugetierhirn nicht erreichen können. Es ist unser Ziel, an Hand dieser neuartigen Theorie dieses Problem zu überwinden und einen entscheidenden Beitrag zu einer Therapie für RCDP-Patienten zu leisten.

Im vorliegenden Projekt untersuchten wir die Rolle der Etherlipide im Zentralnervensystem, im Besonderen bei der synaptischen Übertragung, jenem biologischen Prozess, über den Nervenzellen miteinander kommunizieren. Etherlipide sind eine spezielle Art von Phospho-lipiden; ihre wichtigste Subgruppe sind die so genannten Plasmalogene. Die molekulare Funktion dieser Lipide ist bis jetzt weitgehend ungeklärt, obwohl bekannt ist, dass sie mit ihren speziellen biophysikalischen Eigenheiten die Funktion und die Eigenschaften von Biomembranen mitgestalten. Aufgrund der Tatsache, dass Plasmalogene in Synapsen stark vertreten sind, vermuteten wir, dass Plasmalogendefizienz, die in Menschen die schwere Erkrankung rhizomelische Chondrodysplasia Punctata (RCDP) hervorruft, die synaptische Übertragung behindert. Um diese Hypothese zu prüfen und auch die beteiligten molekularen Mechanismen sowie die physiologischen Folgen aufzuklären, zogen wir ein Etherlipid-defizientes Mausmodell für unsere Untersuchungen heran. Bereits in den ersten Experimenten entdeckten wir in den Gehirnen von Etherlipid-defizienten Mäusen eine Verringerung unterschiedlicher Klassen von Neurotransmittern, jener Moleküle, die synaptische Übertragung ermöglichen. Detaillierte Analysen zeigten, dass der Neurotransmitterverlust verschiedene Gehirnregionen betrifft, aber auf Synapsen beschränkt ist. Die Zahl der Synapsen war hingegen unverändert. Untersuchungen der Noradrenalinausschüttung in Gehirnschnitten zeigten eine reduzierte Freisetzung in Etherlipid-defizienten Mäusen. In weiterführenden Experimenten entdeckten wir eine markante Reduktion des vesikulären Transmittertransporters, was einen plausiblen Grund für die beobachteten Phänomene darstellt. Um die physiologischen Konsequenzen zu untersuchen, verwendeten wir eine Reihe von Verhaltenstests und fanden Motordefizite sowie ausgeprägte Hyperaktivität in Etherlipid-defizienten Mäusen. Dies ist zu beachten, da kürzlich ein Zusammenhang zwischen Etherlipiddefizienz und neurologischen Entwicklungsstörungen (wie z.B. Autismus) gezeigt wurde. Zuletzt untersuchten wir neue Therapieoptionen gegen Etherlipiddefizienz. Dabei analysierten wir zuerst die Phospholipidzusammensetzung bei Etherlipiddefizienz und entdeckten, dass im Gehirn der Verlust von Plasmalogenen durch die Erhöhung von Phosphatidylethanolamin kompensiert wird. Gleichzeitig kommt es aber zu einem Verlust von Docosahexaensäure, einer metabolisch essentiellen Substanz. Insgesamt hat unsere Studie neue Rollen der Plasmalogene im Gehirn gezeigt und neues Licht auf die physiologischen Funktionen dieser Lipide sowie die dahinterstehenden molekularen Mechanismen geworfen. Diese Ergebnisse haben besondere Bedeutung für die therapeutische Behandlung jeglicher Etherlipiddefizienz, also nicht nur der relativ seltenen Plasmalogenbiosynthesedefekte, sondern auch häufigerer Krankheiten wie der Alzheimerschen Krankheit.