Funktionelle Analyse von Isoformen der CAPS-Proteinfamilie

Abstract

Endokrine, neuronale und exokrine Zellen verfügen über einen regulierten Sekretionsweg, durch welchen Hormone, Neurotransmitter und Enzyme kontrolliert freigesetzt werden können. Dieser kontrollierte Exozytosevorgang benötigt neben Kalziumionen auch ATP und zelleigene Schlüsselmoleküle, welche die Freisetzung vermitteln und regulieren. CAPS ist ein solches Protein, welches als putativer Regulator der Transmittersekretion aus PC12-Zellen identifiziert wurde. Neben der Pleckstrin-homologen Domäne besitzt CAPS (145 kDa) eine Domäne mit Homologie zu dem Primingfaktor Munc13-1 (MHD1). Es ist ein Ortholog von Unc-31, einem Genprodukt aus Caenorhabditis elegans, das im Nematoden multiple Funktionen des Nervensystems beeinflusst. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die funktionelle Bedeutung von CAPS bei der Exozytose zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden in Mammaliern exprimierte CAPS-Isoformen identifiziert und einer vergleichenden Analyse ihrer Expression und subzellulären Verteilung unterzogen sowie ihre Rolle in zentralnervösen und neuroendokrinen Geweben charakterisiert. Ausserdem wurden für weitere funktionelle Studien CAPS-deletionsmutante Mäuse hergestellt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Familie der CAPS-Proteine in Säugern aus zwei Mitgliedern besteht, CAPS1 und CAPS2. CAPS1 wird in fast allen Neuronen des zentralen Nervensystems und darüber hinaus nur noch in neuroendokrinen Geweben wie dem Gehirn, dem Pankreas und der Nebenniere exprimiert. Die CAPS2-Expression ist demgegenüber im Gehirn weniger homogen, jedoch auch in einer Reihe nichtneuronaler Gewebe detektierbar. CAPS1, die im zentralen Nervensystem bei weitem abundanteste CAPS-Isoform, ist spezifisch in präsynaptischen Kompartimenten des synaptischen Neuropils lokalisiert und in der Körnerzellschicht des Cerebellums auf exzitatorische Synapsen beschränkt. Eine funktionelle Analyse von CAPS1-deletionsmutanten Mäusen zeigt, dass CAPS1 ein zum Überleben essentielles Protein ist. CAPS1-defiziente Mäuse sterben kurz nach der Geburt, weisen jedoch weder im Gehirn noch in der Nebenniere morphologische Auffälligkeiten auf. Während dies bedeutet, dass CAPS1 für die Entwicklung und strukturelle Integrität dieser Gewebe keine Bedeutung hat, zeigen elektrophysiologische Untersuchungen an chromaffinen Zellen der Nebenniere, dass der teilweise Verlust von CAPS1 in adulten heterozygoten deletionsmutanten Tieren zu einem deutlichen Sekretionsdefizit führt. Dieses Defizit ist auf eine Herabsetzung der akut freisetzbaren Pools sekretorischer Granula zurückzuführen und zeigt, dass CAPS1, wie das strukturverwandte Munc13-1 am priming sekretorischer Vesikel beteiligt ist. Überraschenderweise ist ein solcher Phänotyp in chromaffinen Zellen aus Nebennieren neugeborener homozygoter CAPS1-Deletionsmutanten nicht nachweisbar. Die vorliegende Studie erlaubt den Schluss, dass CAPS1 das priming von LDCVs in chromaffinen Zellen reguliert. Eine weitere hochinteressante Folgerung der morphologischen Analyse der CAPS1-Verteilung im Gehirn ist, dass CAPS-Proteine auch an der Freisetzung klassischer Neurotransmitter aus synaptischen Vesikeln beteiligt sein könnten.