Glutamat und Neurotoxizit

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Glutamat und Neurotoxizität

• Stanislav Maksimov

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Teil I

• Glutamat und Glutamatrezeptoren

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Glutamat

• Proteinogene Aminosäure
• Dominierender excitatorischer Neurotransmitter im
  ZNS
• Glu ist die Vorstufe des inhibitorischen
  Signalmoleküls GABA

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Glutamat Synthese
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GABA-Synthese aus Glu
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Ionotrope Glu-Rezeptoren

• Typen
• NMDA
• NR1, NR2A-D, NR3A
• AMPA
• GluR1-4
• Kainat
• GluR5-7, KA1,2

• Kommen im ZNS
• Tetra- und Pentamere
• Leiten K, Na, Ca2

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Topologie von GluR-Ionenkanällen

• Membrantopologie
• Natives Kanal

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GluR-Zyklus

• Journal of Neuroscience 2007

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Ionotrope Glu-Rezeptoren
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NMDAR

• Binden Glu und Gly (co-Agonist)
• Für die Aktivierung muss der Mg2 block durch die
  Depolarisation entfernt werden (durch schnelle
  non-NMDAR)
• Langsamere Kinetik als bei non-NMDAR
• Spielen eine dominierende Rolle bei der
  Glu-vermittelten Neurotoxizität
• Besitzen feine Regulationsmechanismen

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Teil II

• Glutamat-vermittelete Neurotoxizität (NT)

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Historisches

• 1957 L-Glu-Injektionen zerstörten die innere
  Retinaschicht bei Mäusen (Lucas Newhouse)
• Glu-vermittelte NT wurde vom drastischen
  Anschwellen der Retinazellen gefolgt
• Die Auswirkungen waren am stärksten bei den
  Zellen ausgeprägt, die Glu-R exprimierten
• Die toxische Wirkung von GluR konnte durch die
  entsprechenden Antagonisten reduziert werden

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Komponenten der Glu-vernitteletn NT

• Frühe Phase
• Anschwellen von Zellen durch den verstärkten
  Na-Einstrom
• Spätere Phase
• Verstärkter (unkontrollierter) Ca2-Einstrom
  führt zur Aktivierung zahlreicher zellulärer
  Antworten
• Zellschäden und -tod

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Ca2 in einer Zelle

• Einer der wichtigsten sekundären Botenstoffe
• Reguliert zahlreiche Prozesse (Zellproliferation
  und wachstum, Genexpression, Energiemetabolismus
  , Apoptose usw.)
• Sehr niedrige intrazelluläre Konzentration ( 0,1
  µM)
• Ca2-Haushalt muss sehr streng kontrolliert werden

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Source-specifity-Hypothese

• Toxische Wirkung von Ca2 ist nicht unbedingt der
  Ca2i direkt proportional
• Ca2-Einstrom über NMDAR führt zu einer stärkeren
  Toxizität als der über non-NMDAR
• Der Weg des Ca2-Eintritts ist wichtig
• NMDAR sind mit Ca2-sensitiven Elementen (Enzyme,
  Ca2-bindende Proteine) assoziiert oder befinden
  sich in ihrer Nähe

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NMDAR und postsynaptische Dichte (PSD)

• MAGUKs (Klasse der PSD-Proteine) kommen in großen
  Mengen in Hirnsynapsen vor und sind in das
  Clustering der Membranrzeptoren involviert
• NMDAR sind mit spezifischen PSD-Proteinen
  assoziiert (u.a. mit dem F-actin)
• PDZ-Domänen von PSD-95, können mit NMDAR und nNOS
  interagieren (Scaffold-Funktion)
• NOS kann durch Ca2 aktiviert werden

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Auswirkung der Glu-NT auf Mitochondrien

• Mitochondrien können viel Ca2 aufnehmen
• Bei übermäßiger Ca-Aufnahme bricht das
  elektrochemische H-Potential über die innere
  Mitochondrienmembran zusammen und die
  ATP-Synthese wird runter reguliert
• Störungen in der Elektronentransportkette führen
  zur erhöhten ROS-Produktion (z.B. O2-)

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ROS in Glu-abhängigen NT

• O2- und NO reagieren zu ONOO- (Peroxynitrit)
• NO und ONOO- können Enzyme der Atmungskette
  inhibieren
• ROS reagieren mit Lipiden, Proteinen und DNA
• Aktivierung von ATP-verbrauchenden
  DNA-Reparaturenzymen gt rascher Verbrauch der
  Energiereserven
• Wichtige Mediatoren der Glu-NT (direkte oder
  indirekte )

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Glu-NT kann Apoptose induzieren

• Cytochrom c tritt aus Mitochondrien aus und wird
  von Apaf-1(apoptosis protease-activating factor)
  gebunden
• Apaf-1 wird durch diese Bindung aktiviert und
  bildet Oligomere
• Apaf-1 Oligomere rekrutieren Initiator-Procaspase
  9 die sich gegenseitig aktivieren
• Apoptosom (Apaf-1/Caspase9-Komplex) aktiviert
  Effektor-Caspase 3
• Caspase 3 spaltet Zytoskelett-Proteine und
  aktiviert DNase (DFF40/CAD), die ihrerseits DNA
  degradiert

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Alternative Induktion des programmierten Zelltods

• Gehirnverletzung und ONOO--Behandlung sind mit
  dem Austritt von AIF (apoptosis inducing factor)
  aus den Mitochondrien assoziiert (normalerweise
  in Mitochondrienmatrix)
• AIF
• ist in die Caspase-unabhängige Apoptose-Induktion
  involviert
• ist mit DNA-Fragmentierung und Chromosomen-Kondens
  ation assoziiert
• verändert die Permeabilität von
  Mitochondrienmembran

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Ca2-abhängige Toxizität
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Wann tritt die Glu-vermittelte NT auf

• Bei mechanischen Schäden des Gehirns
• Bei Schlaganfall
• Bei Störungen der Gehirndurchblutung was u.a. zur
  Hypoxie führt (Ischämie)

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Therapieansätze

• Blockieren der Glu-Rezeptoren
• inaktiviert Ionenkanäle gt unterbindet
  Ca2-Einstrom
• nur bei akuten Fällen
• kann nicht auf Dauer eingesetzt werden
• Entkopplung der Glu-Rezeptoren von den abwärts
  liegenden Signalelementen
• Ionenkanäle bleiben Funktionsfähig
• Ca2-abhängige dowstream signalling wird
  uneffizienter
• Ca2 kann immer noch in die Zelle gelangen gt
  Nebenwirkungen möglich

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Offene Fragen

• Welche Ca2i ist für die Zelle toxisch?
• Signalübertragungs-Komponente stromabwärts von
  NMDAR und die Signalweiterleitung
• Beteiligung unterschiedlicher NMDAR an Glu-NT
• Mechanismen der toxischen Wirkung von ROS

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