Eine elektrophysiologische Charakterisierung der Glyzin-Transporter 1 und 2

Gehirnzellen kommunizieren miteinander durch chemische Botenstoffe in einem Vorgang den man Neurotransmission nennt. Diese Botenstoffe, so genannte Neurotransmitter, werden an einem Kontaktpunk zweier Nervenzellen ausgeschüttet, den man Synapse nennt. Die Neurotransmission wird beendet, in dem der Neurotransmitter wieder von der Synapse entfernt wird. Dies geschieht durch so genannte Neurotransmittertransporter, welche den Neurotransmitter entweder zurück in das innere der Zelle, die ihn ausgeschüttet hat, oder in Helferzellen pumpt. Glyzin ist einer dieser Botenstoffe und gehört zu der Familie der Aminosäuren Neurotransmitter. Glyzin-Neurotransmission hat zwei entgegengesetzte Aufgaben. Sie kann Gehirnaktivität verringern, in dem es so genannte Glyzinrezeptoren aktiviert, oder sie kann Gehirnaktivität erhöhen, in dem sie auf NMDA Rezeptoren wirkt. Diese NMDA Rezeptoren sind besonders wichtig für Vorgänge im Gehirn die mit dem Lernen zu tun haben. Zwei Glyzintransporter sind dafür verantwortlich Glyzin von der Synapse zu entfernen: GlyT1 und GlyT2. Diese beiden Transporter findet man in unterschiedlichen Regionen des Nervensystems. GlyT1 ist im vorderen Bereich des Gehirns auf Gliazellen und GlyT2 ist vor allem in Nervenzellen im Hirnstamm und im Rückenmark zu finden. Die Voraussetzungen für den Transport von Glyzin unterscheiden sich in GlyT1 und 2, denn GlyT1 kann Glyzin nicht nur in die Zelle zurückpumpen sondern auch aus der Zelle hinaus. Dieses Hinauspumpen von Glyzin ist nicht möglich durch GlyT2. Mit unserer Studie möchten wir die Grundlagen für den Glyzintransport durch die beiden Proteine besser verstehen. Um dieses Ziel zu erreichen werden wir elektrische Signale messen, die während dem Transport durch GlyT1 und 2 entstehen. Diese elektrischen Signale geben Aufschluss darüber, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit Glyzin transportiert wird. Der Vergleich dieser Signale unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel in der Gegenwart verschiedener Ionen oder elektrischen Spannungen, ermöglicht eine detailierte Beschreibung der Transporterfunktion. Wir möchten vor allem verstehen, was die Vorraussetzungen für das Umdrehen der Transportrichtung des GlyT1 sind. Unsere Ergebnisse werden dann in mathematischen Modellen kombiniert. Diese Modelle werden uns ermöglichen, das Verhalten der Glyzintransporter unter allen Bedingungen vorherzusagen. Unsere Ergebnisse werden nicht nur einen wichtigen Beitrag für das Grundverständnis vonGlyzintransporternleisten, sondernkönntenauchwichtigeneue Behandlungsoptionen für Gehirnkrankheiten wie Alzheimer, Schizophrenie oder Epilepsie aufzeigen.

Es gibt zwei Membranproteine, die den Neurotransmitter Glyzin aus dem extrazellulären Raum in die Zelle transportieren. Diese heißen Glyzintransporter 1 (GlyT1) und Glyzintransporter 2 (GlyT2). Obwohl sie beide Glyzin aufnehmen haben sie jedoch abweichende physiologische Aufgaben. Die beiden Transporter sind in unterschiedlichen Regionen des zentralen Nervensystems vorhanden und auch in unterschiedlichen Zelltypen (GlyT1 in Gliazellen und GlyT2 in Neuronen). In diesem Projekt wurde untersucht ob sich die beiden Transporter auch noch in anderen Eigenschaften unterscheiden wie zum Beispiel ihrer Transportgeschwindigkeit, ihrer Abhängigkeit vom elektrischen Potential der zellulären Membranen und ihrer Fähigkeit Glyzin in der Zelle aufzukonzentrieren. Dazu wurden elektrophysiologischen Methoden verwendet, die erlauben Konformationsveränderungen dieser Transporter zu monitieren die auf einer Zeitskala von Millisekunden stattfinden. Diese Messungen haben gezeigt, dass die beiden Transporter ihre jeweiligen Aufgaben dadurch bewältigen können indem sie unterschiedlich funktionieren. Zum Beispiel ist GlyT1 in der Lage nicht nur Glyzin aufzunehmen sondern auch diesen Neurotransmitter freizusetzen. GlyT2 kann das nur sehr schlecht. Diese Freisetzung ist wichig, weil es Rezeptoren gibt die durch Glyzin reguliert werden. Unsere Untersuchungen haben deshalb zu einem besseren Verständnis beigetragen, welche physiologischen Aufgaben die jeweiligen Transportproteine übernehmen können und welche nicht. Ausserdem habe wir untersucht, wie die Transporter mit einem Problem umgehen das in der Enzymkinetik als Produktinhibition bekannt ist. Enzyme hören auf eine Reaktion zu katalysieren wenn die Konzentration des Produkts der Reaktion zu hoch wird. Ein ähnliches Problem haben auch die Glyzintransporter. Wenn die Konzentration des Glyzins innerhalb der Zelle zu hoch wird, werden die Transporter ausgebremst und weiteres Glyzin kann nicht mehr aufgenommen werden. Das ist dadurch begründet, dass das Glyzin innerhalb der Zelle wenn dessen Konzentration ansteigt wieder an den Transporter bindet. Dadurch wird der Transporter das Glyzin nicht los und der Transportvorgang verzögert sich um so mehr je höher die intrazelluläre Konzentration des Glyzins ist. Das ist eine Erschwernis die verhindern könnte, dass diese Transporter ihrer physiolgischen Aufgabe gerecht werden. In unseren Untersuchungen haben wir herausgefunden wie die Glyzintransporter dieses Problem lösen. Sie machen das indem sie ihr Substrate (Glyzin) und ihr Ko-substrat (Natrium) kooperativ binden. Nur wenn beide vorhanden sind bindet sich Glyzin fest an den Transporter. Wenn aber zuwenig Natrium da ist, ist die Bindung nur sehr schwach. Das ist günstig weil innerhalb der Zelle die Natriumkonzentration sehr niedrig ist weil es stetig durch die vorhandene Natrium-Kalium Pumpe aus der Zelle herausgepumpt wird. Dadurch ergibt sich, dass das intrazelluäres Glyzin nur eine sehr niedrige Bindungsstärke für die Transporter hat und sie deshalb nicht ausbremsen kann.