Untersuchung zu Regulationsmechanismen der Expression von neuronalen Calciumsensor (NCS)-Proteinen in hippokampalen Neuronenkulturen: Bedeutung für physioloische und pathologische Prozesse im zentralen Nervensystem am Beispiel der Schizophrenien

Abstract

Die Schizophrenien werden zu den nicht-organischen Psychosen gezählt. Neben produktiven Symptomen wie Halluzinationen und Wahnvorstellungen sind die Patienten im Wesentlichen durch negative Symptome wie Aufmerksamkeits- und Gedächtnisstörungen beeinträchtigt. Neben einer gestörten dopaminergen Neurotransmission scheint insbesondere das glutamaterge NMDA-Rezeptor- vermittelte System in bestimmten Hirnregionen gehemmt zu sein. Diese Hemmung führt in nachgeschalteten Gebieten wie dem Hippokampus, einer Hirnstruktur, die für Lern- und Gedächtnisfunktionen essentiell ist, zu einer erhöhten Glutamatstimulation. Diese Stimulation mit hohen Dosen Glutamat geht mit einer Störung der Calciumhomöostase einher. Daher könnte das NCS-Protein VILIP-1 an der Pathologie der Schizophrenien beteiligt sein. In Gehirnschnitten verstorbener Schizophreniekranker konnte im Hippokampus einerseits eine verminderte Expression von VILIP-1 in Pyramidenzellen und andererseits eine erhöhte Anzahl VILIP-1-positiver Interneurone nachgewiesen werden. Im Tierexperiment führte bei Ratten eine systemische Ketaminapplikation zu ähnlichen Veränderungen. Ketamin ist ein Antagonist am NMDA-Rezepor und kann beim Menschen akute Psychosen auslösen. Die veränderte Expression von VILIP-1 bei Schizophrenien führt zu der Frage nach der Regulation von VILIP-1 und der möglichen Bedeutung für pathophysiologische Prozesse. Mittels Western-Blot- Analysen und Immunzytochemie wurde der Einfluss einer glutamatergen Stimulation auf die VILIP-1-Expression in hippokampalen Interneuronen herausgearbeitet. Die Stimulation mit Glutamat zeigte einen zelltoxischen Effekt, wobei Interneurone besonders stark betroffen waren. Die wichtigste Konsequenz dieser selektiven Vulnerabilität könnte ein enthemmter exzitatorischer Schaltkreis mit massiven Funktionsstörungen des Hippokampus sein. Die Exzitotoxizität konnte durch den NMDA-Rezeptorantagonisten MK-801 unterbunden werden. Dabei bestätigte sich, dass Glutamat gleichzeitig den Anteil VILIP-1-positiver Interneurone signifikant erhöht. Durch die Anwendung spezifischer Agonisten und Antagonisten der mGluRs stellte sich heraus, dass mGluR1a an der Regulation der VILIP-1-Expression beteiligt ist. Durch Kofärbungen von VILIP-1 mit mGluR1a und die Auswertung bekannter Koexpressionsstudien konnte geschlussfolgert werden, dass vermutlich nur bestimmte Interneuronsubpopulationen von den beobachteten Veränderungen betroffen sind. Diese Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung, da bekannt ist, dass mGluRs sowohl die synaptische Plastizität als auch die VILIP-1-Expression im Hippokampus in vivo beeinflussen. Pathologische Veränderungen der VILIP-1-Expression in Interneuronen könnten daher einen Einfluss auf die synaptische Plastizität haben und so die für Schizophrenien typischen Aufmerksamkeits- und Gedächtnisstörungen partiell erklären.

Schizophrenia is a devastating psychiatric disorder. Beside positive symptoms including hallucinations and delusions patients are impaired by negative symptoms like cognitive and memory deficits. In addition to an altered dopamine-mediated transmission the glutamatergic NMDA receptor mediated transmission seems to be inhibited in distinct brain areas. This inhibition leads to an increased glutamatergic stimulation in postsynaptical areasm, e.g. the hippocampus, an indispensable structure for learning and memory. The excessive glutamatergic stimulation results in a disturbed calcium homeostasis. For this reason the NCS protein VILIP-1 might be involved in the pathology of schizophrenia. In brains of schizophrenic patients VILIP-1 shows cell-specific changes: VILIP-1 immunoreactivity in hippocampal pyramidal cells is decreased but VILIP-1 immunoreactivity in interneurons and the number of VILIP-1 positive interneurons are increased compared with healthy individuals. Systemically administered non-competitive NMDA receptor antagonists, such as ketamine, which are known to induce acute psychosis in humans, simulate this differential expression in rats. These findings raise the question of the regulation and the possible pathological role of VILIP-1 in schizophrenia. To address the question western blot analysis and immunocytochemistry were used to study the influence of glutamatergic neurotransmission on VILIP-1 expression in primary hippocampal cell culture. The glutamatergic stimulation has a cytotoxic effect, whereas interneurons seem to be particularly vulnerable. In consequence a disinhibited excitatory circuit leading to hippocampal malfunction is conceivable. Cytotoxic effects were abolished by the NMDA receptor antagonist MK-801. This revealed, that in parallel glutamate significantly increases the number of VILIP-1 expressing interneurons. By using specific agonists and antagonists of group I metabotropic glutamate receptors it was shown, that mGluR1a is involved in the regulation of VILIP-1. Co-immunostaining of VILIP-1 and mGluR1a and reviewing co-expression studies lead to the conclusion, that only distinct subpopulations of hippocampal interneurons are affected. These results are of prime importance, since mGluRs regulate synaptic plasticity as well as VILIP-1 expression in the hippocampus in vivo. Pathological changes in VILIP-1 expression in interneurons are likely to have an impact on synaptic plasticity and thereby partially explain cognitive and memory deficits known in schizophrenia.