Roles of α-neurexins in synapse stabilization and Ca²⁺-dependent endocrine secretion

Abstract

α-Neurexine sind an den Synapsen lokalisierte transmembrane Moleküle und für Neurotransmitterausschüttung notwendig. In Vertebraten sind drei Neurexin-Gene bekannt. Im Mausmodell führt die genetische Deletion von mehreren α-Neurexinen zu einem vorzeitigen Tod von dreifach (TKO) und doppel knockout (DKO) Mutanten infolge der beeinträchtigten spontanen und evozierten synaptischen Übertragung in inhibitorischen und exzitatorischen Synapsen. Während die bisher durchgeführten histologischen Analysen von neugeborenen α-Neurexin TKOs nur eine moderate Abnahme der Dichte von Typ-II-Synapsen zeigten, lassen dagegen Zellkultur-Experimente auf eine bedeutendere Rolle der Neurexine in der Synaptogenese schließen. Um den Beitrag von α-Neurexinen zur Bildung und Erhaltung von Synapsen in vivo zu untersuchen, wurden in dieser Studie die morphologischen Veränderungen im Gehirn der überlebenden adulten DKO Mäusen analysiert. Die allgemeine Gehirnstruktur wies dabei keine offensichtlichen Defekte auf. Die quantitative Analyse deutete auf eine mäßige, aber große Teile des Gehirns umfassende Abnahme des Neuropils hin, die auf die Verkürzung der terminalen dendritischen Zweige und auf den Verlust von Synapsen zurückgeführt werden konnte. Die elektronenmikroskopische Untersuchung belegte eine Abnahme der Typ-II-Synapsendichte um ca. 30%, wobei sich die synaptische Ultrastruktur unverändert darstellte. Da die meisten Defekte, die in den adulten Gehirnen nachgewiesen wurden, bei den neugeborenen Tieren nicht auftraten, tragen α-Neurexine wahrscheinlich zur langfristigen Erhaltung synaptischer Verbindungen bei. Das insgesamt geringe Maß der Veränderungen deutet jedoch darauf hin, dass α-Neurexine keine große Rolle in der Struktur der Synapsen in vivo spielen.Weiterhin wurde in dieser Arbeit festgestellt, dass Neurexine in endokrinen Geweben exprimiert werden. Bei adulten α-Neurexin DKOs wurde eine verkleinerte Hypophyse beobachtet, was auf eine verringerte Größe der endokrinen Zellen zurückzuführen ist. Während die Expression der Peptidhormone in den drei Hypophysenlappen unverändert blieb und die Ultrastruktur der Melanotrophen normal erschien, war die Ca2+-abhängige Sekretion in Melanotrophen der adulten α-Neurexin DKOs um ca. 50% geringer als in den Kontrolltieren. Eine solche Sekretionsschwäche konnte auch in den neugeborenen DKO und TKO Mutanten beobachtet werden, obwohl die Morphologie der Drüse in diesem Alter keine Veränderung aufwies. Dies weist darauf hin, dass der funktionelle Defekt von den hypomorphen Änderungen unabhängig ist. Möglicherweise sind Neurexine in die Organisation der release sites involviert, so könnten sie an einer engen Koppelung zwischen Ca2+ Kanälen und ausschüttungskompetenten Vesikeln beteiligt sein. Die Beeinträchtigung der Sekretion könnte dann durch die veränderte Lokalisierung der Ca2+ Kanäle erklärt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass α-Neurexine zu den allgemeinen Komponenten der Ca2+-abhängigen exozytotischen Maschinerie gehören, die sowohl in Neuronen als auch in endokrinen Zellen für die regulierte Sekretion benötigt werden.