Influence of erg potassium channels on rhythmic activity of cerebellar Purkinje cells and motor control of movements
Final Report Abstract
In dem Projekt wurde die Funktion von erg Kaliumkanälen in Purkinje-Neuronen des Kleinhirns der Maus untersucht. "Erg" ist die Abkürzung von Ether-à-go-go-related-gene. Hierbei handelt es sich um Kaliumkanäle, die bisher vor allem im Herzen untersucht wurden. Im Herzen sind erg-Kanäle wichtig für die Repolarisation des Herz-Aktionspotentials. Kommt es zu einer Fehlfunktion, kann es zu einer Rhythmusstörung und evtl. zu einem plötzlichen Herztod kommen. Es gibt drei verschiedene erg-Kanäle (erg1-3). Alle drei kommen im Gehirn vor. Wir haben Purkinje-Neuronen in dem Projekt untersucht, weil sie die drei erg-Kanäle in relativ hoher Dichte exprimieren. Werden die erg-Kanäle pharmakologisch blockiert, z.B. mit der spezifisch erg-Kanäle blockierenden Substanz E-4031, kommt es in Neuronen zur Übererregbarkeit. Hierauf weist auch der Name der Kanäle hin. In der Fruchtfliege Drosophila wurden die erg-Kanäle zuerst beschrieben und untersucht. Werden Fliegen, die eine Mutation in ihren erg-Kanälen haben, mit Äther betäubt, so kommt es zu rhythmischen Bewegungen der Beine, die die ersten Beobachter an einen Go-Go-Tanz denken ließen. Dieses Verhalten der Fruchtfliege zeigte, dass erg-Kanäle im Gehirn die Erregbarkeit dämpfen. Die Funktion von erg-Kanälen im Gehirn wird seit etwa 15 Jahren zunehmend erforscht. Fehlfunktionen von neuronalen erg-Kanälen können zu Krankheiten führen, z.B. zu Epilepsie und Schizophrenie. Wir haben die erg-Kanäle von Purkinje-Zellen in akuten Schnitten des Kleinhirns untersucht. Applikation von E-4031 blockierte die erg-Kanäle und führte zu einem gesteigerten Feuerverhalten. Es trat eine Erhöhung der Frequenz von tonischen Entladungen auf sowie eine vermehrte rhythmische Tätigkeit. In umfangreichen Untersuchungen haben gezeigt, dass die nativen erg-Kanäle in Purkinje-Zellen vor allem aus erg1a Kanal-Untereinheiten bestehen (quantitative RT-PCR, biophysikalische Analysen der erg-Ströme, Experimente mit erg-Untereinheiten-sensitiven Toxinen, Computer-Simulationen des Einflusses der erg1a- und erg3-Leitfähigkeiten auf die repetitive Aktivität von Purkinje-Zellen). Wir haben außerdem entdeckt, dass die Aktivierung von einem G-Protein-gekoppelten Rezeptor (mGluR1) zu einer ähnlichen Erhöhung der Erregbarkeit führt wie die pharmakologische Blockierung der erg-Kanäle durch E-4031. Hiermit wurde ein wichtiger Mechanismus gefunden, der erg-Kanäle in vivo modulieren kann. Um einen Knock-down von erg1a durchzuführen, haben wir effektive siRNA-Konstrukte erstellt, ausführlich getestet und in einen viralen Vektor überführt. Leider gelang es uns nicht, eine genügend hohe Konzentration dieser Konstrukte in Purkinje-Zellen zu erreichen. Wir haben deshalb diesen Teil des Projektes erfolglos abgebrochen. Zur Zeit planen wir einen konditionalen Knock-out von erg1a Kanälen in Purkinje-Zellen. Denn wir wollen weiterhin untersuchen, welche Bedeutung erg-Kanäle für die Koordination der Motorik haben.
Publications
- Erg potassium currents of neonatal mouse Purkinje cells exhibit fast gating kinetics and are inhibited by mGluR1 activation.
Journal of Neuroscience, Vol. 33. 2013, Issue 42, pp. 16729-16740.
Niculescu D, Hirdes W, Hornig S, Pongs O, Schwarz JR
(See online at https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5523-12.2013) - Ether-à-go-go K+ channels: effective modulators of neuronal excitability. The Journal of Physiology, Vol. 596. 2018, Issue 5, pp. 769–783.
Bauer C.K., Schwarz J.R.
(See online at https://doi.org/10.1113/JP275477)
