dc.contributor.author
Elagabani, Mohammad Nael
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:55:24Z
dc.date.available
2016-10-28T11:47:54.372Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5569
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9768
dc.description.abstract
Glutamate receptors are the fundamental mediators of electrical excitatory
signals between the principal neurons of all known central nervous systems.
Most glutamatergic synapses onto principal neurons of the brain form
specifically on small protrusions, called spines, from long dendritic
extensions of neuron cell bodies (Boyer et al., 1998). The NMDA receptor is
the only voltage-gated glutamate receptor of the central nervous system. In
vertebrates the variety of the regulatory subunits of the GluN2 family has led
to a diversity of enzymes in the synaptic signalling machine that became
tightly linked to cytosolic NMDA receptor domains (Kennedy, 2000; Ryan et al.,
2013). The most common GluN2 subunit paralogs in the forebrain are GluN2A and
GluN2B (Paoletti et al., 2013). Activity of the small GTPase Arf6 is
frequently implicated in cellular processes, when membranes, the cytoskeleton,
and vesicular trafficking need to be modified in concert (Donaldson, 2003;
Myers and Casanova, 2008). During neuron development, Arf6 plays also a role
in spine formation (Miyazaki et al., 2005; Raemaekers et al., 2012). Amongst
Arf6 regulators, EFA6A, BRAG1 and BRAG2 were shown to be abundant in
glutamatergic synapses (Choi, 2006; Lowenthal et al., 2015). BRAG1 and BRAG2
also affect the size of glutamate receptor membrane currents from mature
neurons of the hippocampus after electrical stimulation (Scholz et al., 2010;
Myers et al., 2012). In this study interactions between NMDA receptors and
BRAG1 or BRAG2 will be investigated for a possible role in synaptic activation
of Arf6 in dendritic spines on principal neurons of the neocortex. Protein
levels of GluN2A, BRAG1 and BRAG2 increased during neuronal maturation. After
NMDA receptor ligand binding, GluN2B-BRAG1 signalling was identified as the
predominant route of elevating Arf6 GDP/GTP-exchange in young neurons, while
GluN2A-BRAG2 signalling could be assigned to mature neurons. Calcium influx
through the ion channels of NMDA receptors was necessary for the changes in
active Arf6 levels. Depleting BRAG1 abolished NMDA receptor-triggered Arf6
activation in young neurons. The absence of BRAG2 only affected mature
neurons. BRAG2 depleted neurons lacked the control of GluN2A-containing
receptors over Arf6 and bore a high-level Arf6 activation tone via a return to
the GluN2B-BRAG1 signalling route, comparable to young neurons in culture. The
absence of BRAG2 affected the morphology of dendritic spine populations of
principal layer 5 neurons in the parietal neocortex of conditional BRAG2
knockout mice. Protein interaction assays suggested that BRAG1 and BRAG2 are
constituents of the NMDA receptor complex. Physical binding to BRAG proteins
was mediated by interactions at central regions of the cytosolic receptor
segments. Segments of the BRAG proteins between the amino-terminus and the
catalytic domain mediated the subtype-selective binding to GluN2 subunits.
GluN2 subunit-BRAG protein interactions were sensitive to ambient calcium
concentrations, and functional regulation of BRAGs was tied to interaction
with calmodulin, as proposed elsewhere (Myers et al., 2012). The essential
results of this dissertation contributed to a study, in which further
functional aspects of neuronal BRAG-mediated Arf6 activation were elaborated
(Elagabani et al., 2016). NMDA receptor- triggered BRAG GEF-activity might
modulate active Arf6 levels according to neuronal excitability and
maturational stages, and connect Arf6 functions with synaptic plasticity. The
described signalling pathways regulating Arf6 activation might be involved in
(1) the modification of spine membrane composition, (2) cytoskeletal
remodelling, and (3) amongst other synaptic proteins, AMPA and NMDA receptor
trafficking.
de
dc.description.abstract
GLUTAMAT-REZEPTOREN vermitteln die grundlegende Signalübertragung erregender
Nervenzellen zentraler Nervensysteme. Die neuronalen Verknüpfungen zu
pyramidalen Projektionsneuronen werden hauptsächlich über glutamaterge
Synapsen an dornenförmigen Fortsätzen, den Spines, ihrer Dendriten gebildet
(Boyer et al., 1998). NMDA-Rezeptoren sind spannungsabhängige Glutamat-
Rezeptoren. Die Vielfalt der regulatorischen NMDA-Rezeptor Untereinheiten der
Familie GluN2 führte in Wirbeltierhirnen zur Entstehung von unterschiedlichen
Rezeptor-assoziierten Signalproteinkomplexen (Kennedy, 2000; Ryan et al.,
2013). Die am häufigsten vorkommenden regulatorischen NMDA-Rezeptor
Untereinheiten im Vorderhirn sind GluN2A und GluN2B (Paoletti et al., 2013).
Durch die Einbindung der kleinen GTPase Arf6 werden zelluläre Abläufe an
Membranen, am Zytoskelett und im vesikulären Transportsystem auf einander
abgestimmt (Donaldson, 2003; Myers and Casanova, 2008). Während der neuronalen
Entwicklung trägt Arf6 zur Bildung von dendritischen Spines bei (Miyazaki et
al., 2005; Raemaekers et al., 2012). Zu den stark angereicherten Proteinen
glutamaterger Synapsen unter den Arf6-Regulatoren gehören EFA6A, BRAG1 und
BRAG2 (Choi, 2006; Lowenthal et al., 2015). BRAG1 und BRAG2 sind im Stande die
Stärken von evozierten Membranströmen an Synapsen adulter Neuronen des
Hippocampus zu beeinflussen (Scholz et al., 2010; Myers et al., 2012). Die
vorgelegte Studie untersuchte Wechselwirkungen zwischen NMDA- Rezeptoren und
BRAG1 oder BRAG2, um Mechanismen zur Aktivierung von Arf6 an neuronalen
Synapsen zu erforschen. Die Expression von BRAG1, BRAG2 und GluN2A steigerte
sich im Laufe der neuronalen Entwicklung. In Neuronenkulturen steigerten durch
Liganden-Bindung zwei getrennte Signalwege den GDP/GTP- Austausch von Arf6,
der GluN2B-BRAG1 Signalweg in jungen Neuronen und der GluN2A-BRAG2 Signalweg
in reifen Neuronen. Die Änderungen des Arf6 Aktivitätsniveaus verlangten einen
Kalziumeinstrom durch den Ionenkanal des NMDA-Rezeptors. Beim Fehlen von BRAG1
in jungen Kulturen konnten NMDA-Rezeptoren keine Arf6 Aktivierung verursachen.
Das Fehlen der BRAG2 Expression beeinflusste Neuronen hingegen nur im reifen
Stadium. Ohne BRAG2 Expression blieb in reifen Neuronenkulturen der Einfluss
von GluN2A-haltigen Rezeptoren auf die Arf6 Aktivierung aus, und die
Konzentration von Arf6-GTP erhöhte sich durch eine Rückkehr zum GluN2B-BRAG1
Signalweg. In diesem Zustand war das Arf6 Aktivitätsniveau mit dem in jungen
Neuronen vergleichbar. Das Fehlen von BRAG2 in Knockout-Mäusen hatte außerdem
Auswirkungen auf die morphologischen Maße von Spines auf pyramidalen Neuronen
der Zellschicht 5 im parietalen Kortex. Die Untersuchungen der
Proteinbindungen legten nahe, dass BRAG1 und BRAG2 funktionelle Bestandteile
des NMDA-Rezeptor Komplexes sind. Die Wechselwirkung zwischen BRAG Proteinen
und GluN2- Untereinheiten erfolgte über mittig in den zytosolischen
Rezeptorsegmenten liegende Regionen. Aminoterminal zur katalytische Domäne
liegende Bereiche in BRAG1 und BRAG2 vermittelten die spezifische Bindung an
die GluN2-Untereinheiten. Die GluN2-BRAG Bindung wurde durch die eingestellte
Kalziumkonzentration beeinflusst, sodass die Regulierung der BRAG GEF-Funktion
mit Calmodulin in Verbindung stehen könnte. Wesentliche Resultate dieser
Arbeit sind Bestandteil einer kürzlich erschienenen Publikation, die auch
weitere Funktionen der beschriebenen Arf6 Aktivierung näher veranschaulicht
(Elagabani et al., 2016). Über NMDA-Rezeptoren könnte der BRAG GEF-Mechanismus
den Bedarf an aktivem Arf6 den neuronalen Erregungs- und Entwicklungsstadien
anpassen und ein enger Zusammenhang zur Plastizität der Stärken von Synapsen
bestehen. Die hier beschriebenen Signalwege zur Regulation von Arf6 könnten
Einfluss nehmen auf (1) die Zusammensetzung der Spine-Membran, (2) die
Umstrukturierung des dort befindlichen Zytoskeletts und (3) die Umverteilung
synaptischer Proteine wie AMPA- und NMDA- Rezeptoren.
de
dc.format.extent
viii, 72 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
neurodevelopment
dc.subject
PSD, X chromosome-linked intellectual disability
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
dc.title
NMDA Receptors Control Arf6 Activity via BRAG1 and BRAG2 in Spines of Neuronal
Dendrites
dc.contributor.contact
mn.elagabani@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Dr. Hans-Christian Kornau
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Stephan Sigrist
dc.date.accepted
2016-10-07
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000103286-6
dc.title.translated
NMDA-Rezeptoren regulieren die Aktivität von Arf6 über BRAG1 und BRAG2 in
Spines neuronaler Dendriten
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000103286
refubium.note.author
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refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000020253
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access