Characterization of splice variant specific effects of RNA-edited glycine receptor alpha 3 in hippocampus

Abstract

Previous studies showed that RNA processing (editing and splicing) of GlyRs is changed in hippocampus of patients with temporal lobe epilepsy (TLE). RNA edited GlyR α3K was shown to be involved in tonic inhibition and neurodegeneration, while the RNA edited long splice variant GlyR α3L was postulated to exert a functional role at glutamatergic synapses (Eichler et al., 2008; Eichler et al., 2009). Furthermore, it was shown the potassium- chloride cotransporter 2 (KCC2) protects neurons against neurodegeneration mediated by the RNA edited short GlyR α3K185L variant. These results indicated that RNA processing of GlyR α3 and regulation of intracellular chloride may be important factors of TLE. Aim of this study was to characterize splice variant-specific effects of RNA-edited GlyR α3185L by identifying mechanisms responsible for GlyR α3K185L-dependent neurodegeneration and KCC2-dependent neuroprotection and investigating the functional impact of GlyR α3L185L on glutamatergic synaptic transmission in vivo. My study revealed that GlyR α3K185L activation changes neuronal membrane properties (membrane resistance) and thereby induces neurodegeneration. Furthermore, KCC2-mediated neuroprotection was found to depend on a structural role of KCC2 rather than involving regulation of intracellular chloride. My study also revealed that the RNA splice insert of the long GlyR α3L subunit interacts with Sec8, a component of the exocyst complex of vesicular trafficking factors, and leads to axonal expression and presynaptic localization of GlyR α3L185L. The presynaptic mode of action of this RNA-edited GlyR α3L variant facilitates synaptic transmission in vivo, and depending on the neuron type in which it was expressed, quite different phenotypes of the corresponding knockin animals were observed. Enhanced glutamatergic synaptic transmission resulted in impaired working and reference memories and cognitive dysfunction, whereas anxiety-related behavior resulted from GlyR α3L185L expression in presynaptic terminals of parvalbumin-positive interneurons. Thus, my study identifies a new structural role for KCC2 in neuroprotection, and it shows that splice variant-specific effects of RNA-edited GlyR α3185L can contribute to the psychopathology of TLE by triggering neurodegeneration (α3K185L) and cognitive dysfunction as well as anxiety (α3L185L), which are well established neuropsychiatric symptoms of TLE.

Frühere Studien zeigten, dass die GlyR RNA-Prozessierung (Editierung und Spleißen) in den Hippocampi von Temporallappenepilesie (TLE) Patienten verändert ist. Es ist bekannt, dass die RNA-editierte kurze α3K-GlyR Spleißvariante tonische Inhibition und Neurodegeneration vermittelt, während die RNA-editierte lange α3L-GlyR Variante eine Rolle bei der glutamatergen synaptischen Transmission zu spielen scheint (Eichler et al., 2008; Eichler et al., 2009). Desweiteren wurde gezeigt, dass der Kalium-Chlorid Cotransporter 2 (KCC2) Neurone vor GlyR α3K185L-vermittelter Neurodegeneration schützt. Diese Ergebnisse deuten an, dass sowohl RNA Prozessierung der GlyR α3-Untereinheit als auch die Regulation des intrazellulären Chloridspiegels krankheitsbestimmende Faktoren der TLE sind. Deshalb war das Ziel meiner Arbeit, Spleißvarianten-spezifische Effekte der RNA-editierten GlyR α3-Untereinheit zu charakterisieren. Hierfür sollten frühere Studien zur neurodegenerativen Rolle des α3K185L-GlyR vertieft werden und ein besonderes Augenmerk auf die Mechanismen der KCC2-vermittelten Neuroprotektion gerichtet werden. Andererseits sollte die Untersuchung der funktionellen Auswirkungen von α3L185L-GlyR auf synaptische Transmission und Verhalten das Verständnis von pathogenen GlyR-spezifischen RNA-Mechanismen vertiefen. Meine Arbeit zeigt, dass die Rezeptoraktivierung Änderungen in den Membraneigenschaften (Membranwiderstand) hervorruft und dadurch Neurodegeneration triggert. Im Gegensatz zu vorherigen Annahmen ergaben meine Untersuchungen jedoch, dass die KCC2 vermittelte Neuroprotektion nicht vom Chloridtransport abhängt, sondern vielmehr eine strukturelle Funktion des KCC2-Proteins involviert. Meine Studien zeigten ferner, dass das RNA-Spleißinsert der GlyR α3L-Variante mit dem Sec8-Protein der Exozyst-Komplex-Proteinfamilie von vesikulären Zielsteuerungsfaktoren interagiert, wodurch es zur axonalen und präsynaptischen Rezeptorexpression kommt. Dort übt die RNA-editierte α3L185L- Rezeptorvariante fazilitierende Effekte auf die Neurotransmitterfreisetzung aus. In vivo äußert sich dies in unterschiedlichen Phänotypen der korrespondierenden genetisch veränderten Mäuse, die vom betroffenen Neuronentyp abhängen. Die verstärkte glutamaterge Transmission ruft Beeinträchtigungen des Kurz- und Langzeitgedächtnisses sowie kognitive Dysfunktion hervor, wohingegen die gesteigerte GABAerge synaptische Transmission an parvalbumin-enthaltenden synaptischen Endknöpfchen Angstverhalten fördert.