Die funktionelle Charakterisierung des Coxsackievirus- und Adenovirusrezeptors (CAR) im zentralen Nervensystem

Abstract

Der Coxsackievirus- und Adenovirusrezeptor (CAR) ist ein Zelladhäsionsprotein und wurde ursprünglich als Rezeptor für humanpathogene Viren, wie CVB3, identifiziert. Seine physiologische Funktion, insbesondere im ZNS, ist weitgehend unbekannt, aber die hohe pränatale Expression von CAR im Herzen und im Gehirn sprechen für eine Rolle von CAR in der Embryonalentwicklung. In den vergangenen Jahren wurde die Funktion von CAR vorwiegend im Herzen untersucht. So führte die CAR-Defizienz in Mäusen zu Fehlbildungen des Herzmuskels und Einblutung mit embryonaler Letalität. Induzierbare herzspezifische CAR- Knockout-Mäuse (KO) waren lebensfähig und äußerlich unauffällig, zeigten aber eine gestörte elektrische Reizweiterleitung im Herzen. Dies war mit veränderter Kommunikation zwischen benachbarten Zellen durch die Deregulation von Connexinen assoziiert. CAR ist somit nicht nur essentiell für die embryonale Herzentwicklung, sondern auch für die adulte Herzfunktion. Ziel der vorliegenden Arbeit war die funktionelle Charakterisierung von CAR im zentralen Nervensystem (ZNS) unter Verwendung konditioneller CAR-Knockout- Modelle. Durch das Cre/lox-Rekombinationssystems und neuronaler Expression der Cre-Rekombinase wurde CAR während der Embryonalentwicklung im Riechhirn, Kortex und Hippokampus deletiert (Nex-Cre) bzw. nahezu ubiquitär im gesamten ZNS (CamKIIalpha-Cre). Die KO-Tiere beider Stämme waren äußerlich unauffällig. Der CamKIIalpha-CAR-KO zeigte eine erhöhte hippokampale Reizübertragung nach Applikation unterschiedlicher Reizstärken in den Schaffer-Kollateralen. Zusammen mit der höheren postsynaptischen Antwort auf repetitive 10 Hz Stimulierung und der erhöhten Langzeit-Potenzierung (LTP) im Knockout deutet dies auf eine Funktion von CAR in der synaptischen Reizweiterleitung hin. Eine Auswirkung der elektrophysiologischen Veränderungen auf räumliches oder assoziatives Lernverhalten der Mäuse wurde nicht beobachtet. Auf zellulärer Ebene führte die Deletion von CAR zu einer veränderten Kinetik der Exozytose synaptischer Vesikel. In diesen Prozess sind mehrere Proteine involviert, darunter Synaptotagmin 2, das im CAR-KO verstärkt exprimiert wurde und Snapin, welches als potentieller CAR-Interaktionspartner identifiziert wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine Rolle von CAR in der synaptischen Reizweiterleitung durch Beeinflussung präsynaptischer Prozesse hin, die CAR unter anderem zu einem therapeutischen Target für neurologische Erkrankungen mit veränderter Reizübertragung macht.

The coxsackievirus and adenovirus receptor (CAR) is a cell adhesion protein and was originally identified as a virus-receptor for human pathogens such as CVB3. Its physiological function – in particular in the brain – is still largely unknown. Nevertheless, the elevated prenatal expression of CAR in heart and brain implicates a function of CAR in embryonic development. During the last years the function of CAR was primarily studied in the heart. In mice with CAR deficiency hearts were malformed and cardiac bleeding led to early embryonic lethality. Inducible heart specific CAR knockout mice (KO) were viable and appeared normal, but showed an impaired electrical conduction in the heart. This phenotype was associated with changes of gap-junctions - specialized cell-cell contacts formed by Connexins. The prior art therefore suggests that CAR is relevant for cardiac development and function. Aim of this study was the functional characterization of CAR in the central nervous system (CNS) using conditional CAR KO models. The Cre/lox-recombination-system and neuronal expression of the Cre-recombinase were utilized to delete CAR in the olfactory bulb, cortex and hippocampus during embryonic development (Nex- Cre) or throughout the brain shortly after birth (CamKIIalpha-Cre). The KO animals derived from both strains were viable and appeared normal. Synaptic signal transduction in the Schaffer collateral in CamKIIalpha CAR KO mice was increased after electrical stimulation at different intensities. Together with a higher postsynaptic response to repetitive 10 Hz stimulation and increased long-term potentiation (LTP) in the KO these data suggest a function of CAR in synaptic signal transmission. An effect of the electrophysiological changes on spatial or associative learning was not observed. On the cellular level CAR deletion altered the kinetics of exocytosis of synaptic vesicles. Multiple proteins are related to this process such as synaptotagmin 2 which is up regulated in CamKIIalpha CAR KO mice and snapin which was isolated as a potential CAR interaction partner. These results point towards a role of CAR in the presynaptic aspect of neuronal signal transduction which makes CAR a relevant therapeutic target for neurological diseases with impaired signal transduction.