Ionentransporter und GABAerge Transmission
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Auf zellulärer Ebene haben wir für drei unterschiedliche Neuronenpopulationen nachgewiesen, dass der neuronale K-Cl Kotransporter KCC2 die größte Rolle bei dem für synaptische Inhibition wichtigen Absenken der intraneuronalen Cl-Konzentration spielt. In adulten Purkinjezellen spielt KCC3 keine erkennbare Rolle beim Absenken von Cl-. Möglichweise ist dieser Transporter, der durch Zellschwellung aktiviert werden kann, nur unter bestimmten Stressbedingungen in der Plasmamembran aktiv. Die immer noch leicht hyperpolarisierende Wirkung von GABA in Kcc2-/--Neuronen muss daher auf die Aktivität anderer Transporter zurückzuführen sein. Die insbesondere in der frühen postnatalen Entwicklung beobachtete intrazelluläre Akkumulation von Cl- konnten wir durch KO Mausmodelle stringent auf den NaK2Cl-Cotransporter NKCC1 und, in gewissem Maße, auf den neuronalen Anionenaustauscher AE3 zurückführen. Interessanterweise sind in bestimmten Zelltypen, wie von uns für zerebelläre Körnerzellen gezeigt, Cl-absenkende und Cl-erhöhende Transportprozesse parallel aktiv, was einer dynamischen Feinregulation der Cl-Konzentration dienen mag. Auf höherer Ebene erlaubten die KO-Maus-Linien einen Einblick in die Rolle der Transporter auf Netzwerk- und sogar Verhaltensebene. Die früh postnatal beobachtete Cl- Akkumulation durch NKCC1 (und AE3) ist notwendig für die in diesem Stadium beobachtete erhöhte Netzwerkaktivität. Deren Veränderung hatte eine verzögerte Reifung von Synapsen, nicht jedoch morphologische Veränderungen in den betrachteten Hirnregionen zur Folge. Entgegen der Erwartung mancher Gruppen hatte auch die postnatale Deletion von KCC2 keinen erkennbaren Einfluss auf die Morphologie des Gehirns. Der Verlust von KCC2 in zerebellären Körnerzellen führte überraschenderweise zu einer Depolarisation aufgrund tonisch aktiver GABA- und Glyzinrezeptoren. Auf systemischer Ebene führte dies zu einem spezifischen Defekt der Konsolidierung des zerebellären Lernens von Bewegungen, was auf eine bisher unbekannte Bedeutung der Körnerzellen hinweist. Unsere Arbeiten zeigen auch eine essenzielle Rolle synaptischer Inhibition in der ersten Stufe der zentralen Verarbeitung von Geruchsinformation. Deletion von KCC2 in Mitralzellen führte - möglicherweise über reduzierte laterale Inhibition - zu stark eingeschränkter Diskriminierung verwandter Gerüche. Ferner konnten wir durch sehr umfangreiche Arbeiten zeigen, dass der Na-abhängige Anionenaustauscher NDCBE nicht von Interneuronen aber von Pyramidenzellen exprimiert wird, in denen er die Glutamatfreisetzung pH-abhängig moduliert. Das Ortholog NCBE wird hingegen auch stark von Interneuronen exprimiert und moduliert pH-Abhängig die Freisetzung von GABA. Wir haben somit wesentliche Zielsetzungen unseres Antrages erreicht. Weitere Teilprojekte wie die Erforschung der Rolle synaptischer Inhibition in anderen Teilen des ZNS haben hochinteressante Resultate ergeben und werden nach Beendigung weiterer Experimente im Lauf des Jahres 2014 abgeschlossen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2012) Lack of the sodium-driven chloride bicarbonate exchanger NCBE impairs visual function in the mouse retina. PLoS One 7(10):e46155
Hilgen G, Huebner AK, Tanimoto N, Sothilingam V, Seide C, Garrido MG, Schmidt KF, Seeliger MW, Löwel S, Weiler R, Hübner CA, Dedek K
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(2008) Targeted gene disruption of Slc4a10 results in reduced brain ventricle size and dampens neuronal excitability. PNAS 105:311-6
Jacobs S, Ruusuvuori E. Sipilä S, Hapaanen A, Damkier HH, Kurth I, Hentschke M, Schweizer M, Rudhard Y, Laatinkainen L, Tyynelä J, Praetorius J, Voipio J, Hübner CA
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(2009) Expression and functional inhibition by SPAK of the neuronal K-Cl cotransporter KCC2a. Journal of Biological Chemistry 284:13696-704
Uvarov P, Ludwig A, Markkanen M, Soni S, Hübner CA, Rivera C, Airaksinen MS
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(2009) GABA-dependent network activity contributes to early maturation of excitatory hippocampal synapses. Journal of Neuroscience 29:3419-3430
Pfeffer C, Stein V, Keating D, Maier H, Rudhard Y, Hentschke M, Rune G, Jentsch TJ, Hübner CA
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(2011) Enhanced synaptic activity and epileptiform events in the embryonic KCC2 deficient hippocampus. Frontiers in Cellular Neuroscience, eCollection 2011
Khalilov I, Chazal G, Chudotvorova I, Pellegrino C, Corby S, Ferrand N, Gubkina O, Nardou R, Tyzio R, Yamamoto S, Jentsch TJ, Hübner CA, Gaiarsa JL, Ben-Ari Y, Medina I
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(2011). Synaptic glutamate release is modulated by the Na+-driven Cl-/HCO₃- exchanger Slc4a8. Journal of Neuroscience 31(20):7300-11
Sinning A, Liebmann L, Kougioumtzes A, Westermann M, Bruehl C, Hübner CA
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(2012) Raising cytosolic Cl- in cerebellar granule cells affects their excitability and vestibulo-ocular learning. EMBO Journal 31(5):1217-30
Seja P, Schonewille M, Spitzmaul G, Badura A, Klein I, Rudhard Y, Wisden W, Hübner CA, De Zeeuw CI, Jentsch TJ
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(2013) A causative link between inner ear defects and long-term striatal dysfunction. Science 341(6150):1120-3
Antoine MW, Hübner CA, Arezzo JC, Hébert JM
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Anion transport and GABA signaling (2013) Frontiers in Cellular Neuroscience 7:177
Hübner CA, Holthoff K
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(2014) The KCl-cotransporter KCC2 linked to epilepsy. EMBO Reports 15(7):732-3
Hübner CA
