Untersuchung der Funktion von Radixin bei der synaptischen und extrasynaptischen Lokalisation von GABAA Rezeptoren im Nervensystemvon Mus musculus (Linnaeus, 1758)

Abstract

Die schnelle synaptische Inhibition im Gehirn von Säugetieren wird hauptsächlich von GABAA-Rezeptoren (GABAAR) vermittelt. Die Bindung des Liganden GABA an den heteropentameren Rezeptor führt zur Öffnung dessen Ionenkanals und erhöht die Permeabilität der Plasmamembran für Chlorid-Ionen. Verschiedene Untereinheiten des GABAA-Rezeptors weisen im Gehirn zeitlich und räumlich unterschiedliche Expressionsmuster auf. GABAAR, welche über die α5-Untereinheit verfügen (GABAAR α5), werden vorwiegend im Hippokampus exprimiert und sind hauptsächlich an extrasynaptischen Bereichen der Plasmamembran lokalisiert. Hier vermitteln GABAAR α5 eine tonische (langsame) Inhibition. Die Depletion der α5-Untereinheit in Mäusen führte zu einem verbesserten Lernen bei Hippokampus-abhängigen Verhaltensweisen. Radixin gehört zur Familie der ERM-Proteine, deren Mitglieder über eine FERM-Domäne an die Plasmamembran sowie über eine F-Aktin-Bindestelle an das F-Aktin-Zytoskelett binden können. Die Aktivierung der ERM-Proteine erfolgt nach ihrer Bindung an die Plasmamembran über eine sich anschließende C-terminale Phosphorylierung, bei der kleine GTPasen eine Rolle spielen könnten. Kürzlich wurde eine direkte Interaktion von Radixin mit der α5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors beschrieben. Radixin scheint dabei für eine Verankerung von GABAAR α5 in extrasynaptischen Bereichen der Plasmamembran verantwortlich zu sein.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte der molekulare Mechanismus sowie die physiologische Relevanz der Radixin vermittelten extrasynaptischen Verankerung von GABAAR α5 untersucht werden. Dafür sollte erstmalig das Verhalten einer Radixin Knockout Mauslinie hinsichtlich der Prozesse des Lernens und der Gedächtnisbildung charakterisiert werden. Durch die Verwendung von dominant negativen und konstitutiv aktiven RhoGTPasen sowie einem spezifischen Inhibitor gegen die Rho-abhängige Kinase (ROCK) konnte gezeigt werden, dass ein Mechanismus zur gezielten Regulation der Bindung von Radixin an die α5-Untereinheit des GABAAR existiert. Dabei führte die Expression von dominant negativem RhoA zu einer verringerten Phosphorylierung von Radixin sowie zu einem Anstieg der synaptischen Lokalisation von GABAAR α5. Mutationsstudien von Radixin zeigten, dass die Phosphorylierung eines C-terminalen Threoninrests für die Bindung von Radixin an GABAAR α5 essentiell ist. Abhängig vom Phosphorylierungszustand Radixins wurde hierbei eine entweder vorwiegend synaptische oder extrasynaptische Lokalisation von GABAAR α5 beobachtet. Des Weiteren konnte die Bedeutung von Radixin für die Lokalisation von GABAAR α5 durch die Untersuchung einer Radixin Knockout Mauslinie bestätigt werden. Dabei führte die Depletion von Radixin zu einem Anstieg der synaptischen Lokalisation von GABAAR α5. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine chemische Induktion von Langzeitpotenzierung (LTP) Einfluss auf die Phosphorylierung von Radixin nimmt und damit die Lokalisation von GABAAR α5 beeinflussen kann. Da LTP mit Lernen und der Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht wird, wurden Verhaltensanalysen mit der Radixin Knockout Mauslinie durchgeführt. Hierbei konnte im Hippokampus-abhängigen trace fear conditioning sowie im Morris water maze ein verändertes Lernen der Radixin Knockout Mäuse im Vergleich zur wildtypischen Kontrollgruppe festgestellt werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass über ein extrasynaptisches Ankerprotein neben dem Anteil von Neurotransmitter-Rezeptoren in extrasynaptischen Bereichen, auch der Anteil in synaptischen Bereichen der Plasmamembran gesteuert werden kann. Die Aktivierung von Radixin und die Bindung zu GABAAR α5 scheint über RhoGTPasen und ROCK in Abhängigkeit neuronaler Aktivität reguliert zu sein. Dies könnte einen neuen Mechanismus für die Modulation der GABAergen synaptischen Plastizität darstellen und eine Rolle bei bestimmten Lernprozessen spielen.

GABAA receptors containing α5 subunits (GABAAR-α5) regulate tonic inhibition, participate in synaptic transmission and are critical in spatial learning and memory. It is currently unknown why these receptors concentrate in extrasynaptic clusters that anchor to the actin cytoskeleton via radixin (Rdx). We demonstrate that altered RhoA/ROCK signaling regulates a phosphorylation switch at Rdx residue T564, which uncouples GABAAR-α5 from its extrasynaptic anchor, thereby enhancing synaptic receptor densities. Accordingly, Rdx knockout mice are characterized by learning and memory deficits. We provide evidence for a novel mode of regulating synaptic strength, suggesting that RhoA signaling-dependent extrasynaptic receptor trapping controls an adjustable receptor reserve pool at plasma membranes to modulate lateral receptor diffusion into inhibitory synapses.