Adrenerge Regulation der CaV1.2 L-Typ Kalziumkanäle Dynamik in Neuronen

Im zentralen Nervensystem spielt der spannungs-aktivierte L-typ Kalziumkanal CaV1.2 eine entscheidende Rolle bei Lernvorgängen, Erinnerung, synaptischer Plastizität und der Koppelung von Erregung und Transkription. Den CaV1.2 Kanälen und Beta-adrenergen Rezeptoren (beta-ARs) wurde bereits unabhängig voneinander die Beteiligung an Erwerb und Auslöschen von Angst und Beunruhigungszuständen nachgewiesen. Der beta2-AR moduliert die Phosphorylierung des CaV1.2 im Gehirn. CaV1.2 Kanäle und beta2-ARs interagieren direkt miteinander, beide sind am Signalintegrator AKAP79/150 verankert und bedienen sich derselben downstream Signale über MAPK- und CREB-Signalwege. Diese Beobachtungen bestätigen, dass CaV1.2 und beta2-AR in Nervenzellen Teil des selben Signalkomplexes sind. Interessanterweise, deuten unsere bisherigen Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivierung von beta2-AR zu Änderungen der Lokalisation und Dynamik des CaV1.2 an der Zellmembran führen. Wir nehmen daher an, dass die Bildung des Signalkomplexes von CaV1.2 mit beta2-AR einen dynamischen und veränderlichen Prozess darstellt, der durch adrenerge Stimulation reguliert wird. Um diese Hypothese zu überprüfen, soll die Verteilung, Umsatzrate und laterale Diffusion von CaV1.2 Kanälen und beta2- ARs mit und ohne adrenerger Stimulation analysiert werden. Um ausschließlich jene CaV1.2 Kanäle und beta2- ARs zu beobachten, die in die Zellmembran integriert sind, werden Analysen an kultivieren Hippokampusneuronen durchgeführt, die heterolog mit extrazellulär epitop-markierten CaV1.2 und beta2-ARs transfiziert wurden. Im ersten Schritt ermitteln wir die subzelluläre Lokalisation des CaV1.2/beta2-AR Signalkomplexes mittels surface immunolabeling. Weiters wird die Bildung des CaV1.2/beta2-AR Signalkomplexes mit Hilfe der single particle tracking (SPT) Analyse und FRAP untersucht. Anschließend soll ermittelt werden, ob und wie adrenerge Stimulation die Lokalisation und Dynamik des Signalkomplexes beeinflusst. Durch Mutation von Interaktionssequenzen des Kanals mit dem Signalkomplex sollen jene molekularen Mechanismen analysiert werden, welche möglichen Änderungen des gerichteten CaV1.2-Membrantransports nach adrenerger Stimulation zugrunde liegen. Die Ergebnisse der beschriebenen Untersuchungen werden belegen ob die Bildung des Signalkomplexes von CaV1.2 mit beta2-AR einen dynamischen Prozess darstellt, durch adrenerge Stimulation modulierbar ist und welche molekularen Domänen des CaV1.2 an der Regulation des Membrantransports beteiligt sind. Die Erkenntnisse dieser Studie werden maßgeblich zum Verständnis neurophysiologischer Prozesse und neurodegenerativer Erkrankungen beitragen, welchen eine Dysfunktion des L-typ Kalziumkanals zugrunde liegt.

Eine fehlerfreie Hirnaktivität versetzt uns in die Lage, Ein Gedächtnis aufzubauen, Gefühle und Emotionen zu generieren und mit diesen umzugehen, unsere verhalten zu kontrollieren sowie die enorme Menge an Informationen aus unserer Umwelt zu verarbeiten. Die Klasse der CaV1.2 der spannungsgesteuerten Kalziumkanäle ist für diese Funktionen verantwortlich, indem sie eine Vielzahl an essentiellen, molekularen Prozessen im Hirn initiieren. Die Aktivität dieser Kanäle wird zu einem hohen Maße durch Norepinephrin moduliert (oder die Aktivierung des ß-adrenergen Systems), welches für die Erregung und Verhaltensschärfe sowie Lernen in neuen und emotional anspruchsvollen Situationen eine Rolle spielt. Die wichtigsten Entdeckungen dieses Projekts basieren auf dem Wissen, wie adrenerge Stimulation die Aktivität der CaV1.2 Kanäle in Neuronen auf molekularer Ebene reguliert. Wir haben gezeigt, dass CaV1.2 Kanäle und adrenerge Rezeptoren über welche Norepinephrin seine Funktion ausübt eng miteinander verknüpft sind und dass diese Verbindung nicht nur funktionaler sondern auch physikalischer Natur ist. Diese direkte Interaktion ist dynamisch und wird durch die Aktivität des adrenergen Systems reguliert. Unter physiologischen Bedingungen interagieren die CaV1.2 Kanäle direkt mit den adrenergen Rezeptoren. Kommt es zu einer Aktivierung des adrenergen Systems, wird zunächst die Aktivität der Ca V1.2 Kanäle verstärkt, bevor sich die adrenergen Rezeptoren räumlich distanzieren und somit diese Aktivität wieder beenden. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass Adrenalin durch die Aktivierung der notwendigen molekularen Prozesse verantwortlich für die Lokalisation der CaV1.2 Kanäle an ihrem Bestimmungsort ist. Dieses Wissen ist enorm wichtig, da die korrekte Lokalisation der Kanäle in der Membran essentiell für deren Funktion ist. Eine fehlerhafte Verteilung der Kanäle führt zu einer fehlerhaften Hirnfunktion in allen Bereichen, die durch CaV1.2 beeinflusst werden. Eine Fehlregulation von CaV1.2 Kanälen ist mit verheerenden psychiatrischen Erkrankungen, wie z.B. Schizophrenie, Bipolare Störungen oder Post-Traumatisches Stress Syndrom, für die keine effektive pharmakologische Therapie existiert, verknüpft. Wir sind zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse ein wichtiger Beitrag bei der Neuentwicklung von hochselektiven Wirkstoffen sein könnte, die die Therapie von Patienten mit neuropsychiatrischen Erkrankungen und Erkrankungen erheblich gestörter Gedächtnisleistung, ermöglicht.