Beteiligung des Calciumsensors VILIP- 1 (Visinin-like protein-1) an synaptischer Plastizität: Regulation der Expression in Modellen der hippokampalen Plastizität und Einfluss auf Signaltransduktionsmechanismen

Abstract

Das zweiwertige Calciumion ist von zentraler Bedeutung für die neuronale Signalverarbeitung, da es als sekundärer Botenstoff eine Reihe von zellulären Prozessen, von der Aktivierung verschiedener Enzymkaskaden, über die synaptische Transmission, bis hin zur Gentranskription regulieren kann. Die Übersetzung von Calciumsignalen in physiologische Antworten erfolgt oftmals durch calciumbindende Proteine. Mitglieder einer solchen Familie von Calciumbindungsproteinen sind die neuronalen Calciumsensor (NCS)-Proteine, die zur großen Gruppe der EF-Hand-Proteine gehören und über vier potentielle EF- Hand-Calciumbindungsdomänen und eine Konsensussequenz für N-terminale Myristoylierung verfügen. Für einige NCS-Proteine wurde bereits gezeigt, dass sie an calciumabhängigen Signaltransduktionsprozessen im Nervensystem beteiligt sind. So konnte für das hier untersuchte VILIP-1 in verschiedenen Zellsystemen ein Einfluss auf die Produktion zyklischer Nukleotide durch die Modulation von Cyclasen gezeigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Mechanismen und Relevanz einer Interaktion von VILIP-1 mit der membranständigen Guanylatcyclase B, die bereits als Interaktionspartner in neuralen Zelllinien, sowie cerebellären Körnerzellen identifiziert wurde, in hippokampalen Neuronen untersucht werden. Darüberhinaus sollten neue Erkenntnisse über eine Beteiligung von VILIP-1 an Prozessen hippokampaler synaptischer Plastizität und den zugrundeliegenden Signaltransduktionsmechanismen gewonnen werden. Es konnte gezeigt werden, dass VILIP-1 die Produktion des sekundären Botenstoffs cGMP durch das membranständige Enzym Guanylatcyclase B in hippokampalen Neuronen beeinflusst. Dies geschieht durch eine verminderte Dephosphorylierung der Guanylatcyclase B nach deren Aktivierung, sowie durch eine erhöhte Zelloberflächenexpression des Enzyms. Da VILIP-1 auch die Zelloberflächenexpression der nikotinischen α4-Azetylcholinrezeptor Untereinheit und die subzelluläre Verteilung von Clathrin beeinflusst, scheint VILIP-1 ebenfalls Membrantransportprozesse zu beeinflussen und so eine verstärkte Aktivierbarkeit von Membranrezeptoren zu bewirken . Eine verstärkte Aktivierung der Guanylatcyclase B führt zu einer erhöhten Langzeitpotenzierung im Subikulum der Ratte in vitro. Damit wurden zum ersten Mal direkte Hinweise für eine Beteiligung der Guanylatcyclase B an Plastizitätsmechanismen gefunden. Zusätzlich zeigt VILIP-1 nach Plastizitätsinduktion mittels verschiedener Stimuli eine verstärkte Proteinexpression. Aus diesen Resultaten läßt sich die Hypothese ableiten, dass die plastizitätsabhängige Regulation der VILIP-1 Proteinexpression zu einer langanhaltenden Veränderung in der synaptischen Transmission der Neurone führen, da diese z.B. durch eine erhöhte Zelloberflächenpräsentation von Rezeptoren, wie Guanylatcyclase B und nikotinischen α4-Azetylcholinrezeptor, für nachfolgende Stimuli sensibilisiert werden und somit verstärkte neuronale Plastizität zeigen.

An effect of VILIP-1 on guanylyl cyclases in different cell types has been well documented. The current data show, that an increased VILIP-1 protein expression leads to an increased cGMP accumulation and that therefore VILIP-1 affects the activity of guanylyl cyclases in hippocampal neurons. The underlying molecular mechanisms seem to be an increased surface expression of the receptor, which depends on a reinforced recycling of the internalised GC-B. Since VILIP-1 also increases surface expression of the α4 subunit of the nicotinic acetylcholine receptor and also influences the subcellular distribution of clathrin, it is likely that VILIP-1 might have a general effect on membrane trafficking. Furthermore VILIP-1 influences the phosphorylation state of the GC-B after ligand binding, but it is not clear yet, whether this is a secondary effect, as homolgous desensitization, which induces dephosphorylation and ligand-dependent internalization are closely linked to each other. The stimulation of group I metabotropic glutamate receptors induces a specific upregulation of VILIP-1 and NCS-1 in vivo after 8 and 24 hours. A similar regulation can be observed in LTP-stimulated denate gyri of rat in vivo. Therefore an increased protein expression of VILIP-1, as well as NCS-1, can be evoked by a variety plasticity inducing stimuli. In addition, it was shown, that regulation of VILIP-1 also occurs during an early phase of protein expression, which is independent of gene transcription and can be observed already half an hour after stimulation of hippocampal cell cultures with DHPG. Similarly, LTP-induction in rat subiculum slices leads to moderate, but significant increase in VILIP-1 protein expression half an hour after the induction. The regulation of the VILIP-1 protein, expression at different phases of synaptic plasticity processes, by mGluR-dependent mechanisms, suggests that VILIP-1 contributes to the expression of synaptic plasticity. It was shown for the first time that the activity of GC-B is linked to synaptic potentiation in subiculum slices in vitro, where a stimulation of GC-B enhances the expression of LTP up to 50 %. An increased cGMP accumulation via GC-B, which can be stimulated by VILIP-1, may be part of processes that, so far have been attributed to the activity of soluble guanylyl cyclase. These data support the hypothesized function of VILIP-1 in plasticity processes. In summary, these data suggest, that the regulation of VILIP-1 after plasticity induction may lead to a long term change of synaptic transmission in neurons via increased surface presentation or recycling of receptors, which sensitizes the cell for subsequent stimuli and thus contribute to synaptic plasticity.