Functional properties and Ca2+-dependent feedback modulation of voltage-gated Ca2+ channels in glutamatergic nerve terminals of the mammalian auditory brainstem

Abstract

Die funktionellen Eigenschaften vieler präsynaptischer Nervendigungen der Säugetiere sind noch weitgehend unbekannt, da die meisten Nervendigungen des Zentralnervensystems für elektrophysiologische Messungen nicht direkt zugänglich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden funktionelle Eigenschaften sowie Ca2+-abhängige feedback -Modulation der präsynaptischen spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle (VGCCs) untersucht. Zu diesem Zweck wurden patch-clamp-Messungen an zwei Typen von großen glutamatergen Nervendigungen im auditorischen Stammhirn der Maus den Heldschen Endbulbs und den Heldschen Calyces durchgeführt. Endbulb-Terminalien zeichnen sich durch einen hohen Eingangswiderstand und eine kleine Membrankapazität aus. Die in Endbulb-Terminalien exprimierten präsynaptischen VGCCs sind überwiegend vom P/Q-Typ. Durchschnittlich 6400 dieser Kanäle werden pro Terminal exprimiert. Die Aktivierung und Deaktivierung von präsynaptischen Ca2+-Strömen erfolgt sehr schnell. Simulation ergeben, dass der durch ein präsynaptisches Aktionspotential (AP) generierte Ca2+-Einstrom eine mittlere Halbweite von etwa 240 µs und eine Spitzenamplitude von etwa 0,45 nA hat. Diese Stromamplitude entspricht der Öffnung von etwa 2600 Einzelkanälen. Endbulb-Terminalien besitzen einen großen Vorrat an freisetzungsbereiten Vesikeln (RRP). Von den ca. 1064 Vesikel des RRP wird aber nur ein kleiner Teil während eines einzelnen APs verbraucht. Im Gegensatz zu Ca2+-Ströme an Calyx-Terminalien, zeigte der präsynaptische Ca2+-Einstrom in Endbulb-Terminalien keine Inaktivierung während AP-ähnlichen präsynaptischen Depolarisationen. Aufgrund ihrer Größe können Calyx-Terminalien leicht mittels Infrarot-Videomikroskopie visualisiert werden. Die in präsynaptische Calyx-Terminalien exprimierten Ca2+-Kanäle vom P/Q-Typ zeigen zwei Arten Ca2+-abhängiger feedback -Regulation Inaktivierung (CDI) und Bahnung (CDF). In dieser Arnbeit wurden die Mechanismen und die intrazelluläre Ca2+-Anforderungen für CDI und CDF untersuchten. Die Inaktivierung von ICa(V) in Calyx-Terminalien zeigte einen biphasischen Zeitverlauf. Die schnelle Komponente der Inaktivierung war Ca2+-abhängig. Das Ausmaß der durch lang anhaltende Depolarisation ausgelösten Inaktivierung war relativ unempfindlich gegenüber intrazellulären Ca2+ Chelatoren. Der durch Depletion von Ca2+ Ionen im synaptischen Spalt bzw. durch metabotrope Hemmung von ICa(V) verursacht Beitrag zur Inaktivierung des Stromes war vernachlässigbar. Die Erholung von ICa(V) nach Inaktivierung war langsam und zeigte einem biexponentiellen zeitlichen Verlauf mit durchschnittlichen Zeitkonstanten von ~320 ms und ~7,2 s. Im Gegensatz dazu erfolgte die Erholung nach Bahnung von ICa(V) sehr schnell mit einer mittleren Zeitkonstante von etwa 30 ms. Die zur Auslösung von CDI bzw. CDF erforderliche Erhöhung der intrazelluläre Ca2+ Konzentration wurde mittels Blitzlichtphotolyse von caged Ca2+ untersucht. Anhebungen der intrazellulären Ca2+ Konzentration im mikromolaren Bereich waren ausreichend, um CDI bzw. CDF zu induzieren. Halbmaximale Konzentrationen waren ~6 µM für CDI bzw. ~2 µM für CDF. Während wiederholter Stimulation mit AP-ähnlichen Depolarisationen erreichte das globale intrazelluläre Ca2+ Konzentrationen von einigen Mikromol. Dies deutet darauf hin, daß CDF und CDI während physiologischer Aktivität induziert werden können. Wegen der unterschiedlichen Erholungskinetiken von CDI und CDF wird die Bahnung des Ca2+-Einstroms vorwiegend bei hochfrequenter präsynaptischer Entladung auftreten, während niederfrequente Entladung zu einer kumulativen Inaktivierung der Kanäle führen kann.