Role of trace metal sensitive voltage-gated Ca2+ channels for neuroprotective and neurotoxic actions of endogenous Zn2+ and Cu2+ in the limbic system.
Final Report Abstract
Locker gebundene (histochemisch reaktive) Zn2+ und Cu2+ Ionen sind an der Regulation neuronaler Erregbarkeit im limbischen System beteiligt und können der Entstehung pathologischer Erregungszustände entgegenwirken, jedoch auch zum erregungsbedingten Zelluntergang (Exzitotoxizität) beitragen. Der Fortsetzungsantrag beschäftigt sich weiterhin mit den beiden neuronalen spannungsgesteuerten Ca2+ Kanälen (Cav2.3 und Cav3.2), welche zu den wenigen bisher bekannten Biomolekülen gehören, die bereits durch Ruhekonzentrationen von Zn2+ und Cu2+ im limbischen System tonisch inhibiert werden. Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe belegen, dass Geninaktivierung oder Inhibition dieser Kanäle mit stark anti-konvulsiven und neuroprotektiven Effekten einhergeht. Dies wurde im Zwischenbericht der ersten Förderperiode bestätigt und erweitert. Bisher wurde hauptsächlich die Zn2+-Wirkung auf Cav2.3-Kanäle in stabil transfizierten HEK-293 Zellen und in Mäusen untersucht, in denen Cav2.3 auf Genebene ausgeschaltet oder exprimiert war. Im mikromolaren Konzentrationsbereich beeinflusst Zn2+ sowohl das Kanalschaltverhalten als auch den Durchtritt von Ca2+ durch den Kanal. Pathophysiologisch bekannte pH-Erniedrigungen, wie sie bei epileptischen Anfällen beobachtet werden, haben gegensätzliche Auswirkungen auf die unterschiedlichen Zn2+-Effekte. In Mäusen, welche Cav2.3 exprimieren, zeigen mikromolare Zn2+-Konzentrationen Effekte, die in Cav2.3-defizienten Mäusen nicht beobachtet werden. In der Fortsetzungsperiode soll vor allem die Cu2+-Wirkung auf Cav2.3 analysiert werden, um auch hier die Rolle beider Kanäle für die neuroprotektiven Effekte dieser Kationen unter Ruhebedingungen, sowie ihre mögliche Bedeutung für die anfallsbedingte toxische Akkumulation von (Zn2+ oder) Cu2+ in postsynaptischen Neuronen zu verstehen. Dafür sollen die in vivo Effekte intraventrikulärer (Zn2+ oder) Cu2+ Injektion auf die Erregbarkeit unter Ruhebe-dingungen und während Kainat-induzierter epileptischer Aktivität mittels telemetrischer Elektro-kortikographie, sowie immunhistochemischen und autometallographischen Methoden in normalen und Ca2+ Kanal defizienten Mäusen untersucht werden. Dies soll ergänzt werden durch eine ausführliche elektrophysiologische Charakterisierung der molekularen und zellulären Interaktionen vor allem von Cu2+ mit beiden Kanälen in stabil transfizierten HEK293 Zellen, nativen Neuronen sowie hippocampalen Hirnschnitten. Insgesamt hat unser Projekt Einblicke in die funktionelle Relevanz von Zn2+ erbracht und soll auch für Cu2+ im limbischen System unter physiologischen Bedingungen sowie während exzessiver Aktivierung untersucht werden. Die Ergebnisse bringen bereits erste Erklärungsansätze für den scheinbaren Dualismus aus neuroprotektiven und neurotoxischen Zn2+ (und Cu2+) Effekten. Sie sollen auch neue Ansatzpunkte für eine präventive oder therapeutische antiepileptische Therapie schaffen.
Publications
- A practical guide to the preparation and use of metal ion-buffered systems for physiological research. Acta Physiol (Oxf). 2018 Mar;222(3).
Neumaier F, Alpdogan S, Hescheler J, Schneider T
(See online at https://doi.org/10.1111/apha.12988) - In vitro and in vivo phosphorylation of the Cav2.3 voltage-gated R-type calcium channel. Channels (Austin). 2018;12(1):326-334
Schneider T, Alpdogan S, Hescheler J, Neumaier F
(See online at https://doi.org/10.1080/19336950.2018.1516984) - Protein phosphorylation maintains the normal function of cloned human Cav2.3 channels. J Gen Physiol. 2018 Mar 5;150(3):491-510
Neumaier F, Alpdogan S, Hescheler J, Schneider T
(See online at https://doi.org/10.1085/jgp.201711880) - Reciprocal modulation of Cav 2.3 voltage-gated calcium channels by copper(II) ions and kainic acid. J Neurochem. 2018 Nov;147(3):310-322
Neumaier F, Akhtar-Schäfer I, Lüke JN, Dibué-Adjei M, Hescheler J, Schneider T
(See online at https://doi.org/10.1111/jnc.14546) - Intracerebroventricular administration of histidine reduces kainic acid-induced convulsive seizures in mice. Exp Brain Res. 2019 Oct;237(10):2481-2493
Alpdogan S, Neumaier F, Dibué-Adjei M, Hescheler J, Schneider T.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00221-019-05605-z) - Cav2.3 channel function and Zn2+-induced modulation: potential mechanisms and (patho)physiological relevance. Channels (Austin). 2020;14(1):362-379
Neumaier F, Schneider T, Albanna W
(See online at https://doi.org/10.1080/19336950.2020.1829842) - Cav2.3 R-type calcium channels: from its discovery to pathogenic de novo CACNA1E variants: a historical perspective. Pflügers Arch. 2020 Jul;472(7):811-816
Schneider T, Neumaier F, Hescheler J, Alpdogan S
(See online at https://doi.org/10.1007/s00424-020-02395-0) - Experimentally Induced Convulsive Seizures Are Modulated in Part by Zinc Ions through the Pharmacoresistant Cav2.3 Calcium Channel. Cell Physiol Biochem. 2020 Feb 19;54(2):180-194
Alpdogan S, Neumaier F, Hescheler J, Albanna W, Schneider T
(See online at https://doi.org/10.33594/000000213) - Non-Mendelian inheritance during inbreeding of Cav3.2 and Cav2.3 deficient mice. Scientific Rep. 10: 15993
Alpdogan, Serdar, Renate Clemens, Jürgen Hescheler, Felix Neumaier, Toni Schneider
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-020-72912-9) - Submicromolar copper (II) ions stimulate transretinal signaling in the isolated retina from wild type but not from Cav2.3-deficient mice. BMC Ophthalmol. 2020 May 6;20(1):182
Lüke JN, Neumaier F, Alpdogan S, Hescheler J, Schneider T, Albanna W, Akhtar-Schäfer I
(See online at https://doi.org/10.1186/s12886-020-01451-8.) - Zn2+-induced changes in Cav2.3 channel function: An electrophysiological and modeling study. J Gen Physiol. 2020 Sep 7;152(9):e202012585
Neumaier F, Alpdogan S, Hescheler J, Schneider T
(See online at https://doi.org/10.1085/jgp.202012585)
