Molecular mechanisms of the effect of the mood stabilizer lithium on cAMP-induced CREB transcriptional activity

Abstract

Seit 60 Jahren werden Lithiumsalze zur Therapie bipolarer affektiver Störungen eingesetzt. Die bipolare affektive Störung ist eine schwere und oftmals lebensbedrohliche Erkrankung mit chronischem Verlauf, die durch wechselnde Phasen von Depression und Manie gekennzeichnet ist. Der Wirkmechanismus, welcher der stimmungsausgleichenden und phasenstabilisierenden Wirkung von Lithium zugrunde liegt, ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Dieser Effekt tritt charakteristischerweise erst nach einer chronischen Behandlung mit Lithium ein, weshalb eine Beteiligung von neuroplastischen Prozessen vermutet wird. Der Transkriptionsfaktor CREB (cAMP-response element binding protein) ist an der Vermittlung einer derartigen neuronalen Adaptation beteiligt. Kürzlich wurde der CREB Coaktivator TORC (transducer of regulated CREB) als ein neuer biochemischer Angriffspunkt von Lithium identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass Lithium durch TORC die cAMP-induzierte CREB-vermittelte Gentranskription verstärkt. TORC ist im Zytoplasma sequestriert und reguliert die CREB-Aktivität durch seine nukleäre Translokation und Interaktion mit der basischen Leuzinzipper-Domäne (bZip) von CREB. In der vorliegenden Arbeit wurde der molekulare Mechanismus untersucht, durch den Lithium die TORC-regulierte cAMP-induzierte CRE/CREB-vermittelte Gentrankription stimuliert. Dazu wurde zunächst der Einfluss von Lithium einerseits auf die nukleäre Translokation von TORC in HIT-15 Zellen mithilfe von Fluoreszenz-Immuncytochemie und andererseits auf die intrinsische transkriptionelle Aktivität von TORC in Luciferase-Reportergen-Assays untersucht. In beiden Fällen konnte kein Effekt von Lithium gezeigt werden. Weiterhin wurde sowohl der Effekt von Lithium auf die TORC-Oligomerisierung als auch auf die Interaktion zwischen CREB und TORC in vitro mittels eines GST-Pull-Down-Assays, in vivo in Mammalian-Two-Hybrid-Assays und direkt am Promotor mittels Chromatin-Immunopräzipitation untersucht. Lithium verstärkte die Oligomerisierung von TORC1 und die Assoziation mit CREB. Heterolog in HIT-T15 Zellen exprimiert, vermittelten alle drei humanen TORC-Isoformen die Lithium-induzierte Verstärkung der cAMP-abhängigen CRE/CREB-gerichteten transkriptionellen Aktivität. Zudem förderte Lithium als Kation direkt und konzentrationsabhängig die Interaktion zwischen CREB und TORC1, welches als die endogen vorrangig exprimierte Isoform in HIT-T15 Zellen identifiziert wurde. Diese Daten unterstützen die Annahme, dass Lithium die CREB-vermittelte Gentranskription steigert, indem es die Interaktion zwischen TORC und der bZip von CREB verstärkt, sobald TORC infolge eines erhöhten cAMP-Spiegels in den Nukleus transloziert ist. Im Gegensatz zu Lithium zeigte Magnesium einen stark inhibitorischen Effekt auf die CREB-TORC1 Interaktion, welcher durch Lithium wiederum vermindert wurde. Dieser Effekt könnte angesichts der exzitotoxischen Effekte von Magnesium als eine therapeutisch relevante neuroprotektive Wirkung von Lithium betrachtet werden. Es ist bekannt, dass die Aminosäure K290 in der bZip von CREB die dortige Bindung eines Magnesiumions vermittelt. Diese Aminosäure scheint jedoch nicht notwendig für den Lithiumeffekt zu sein, da CREB-K290 Mutanten ebenfalls durch Lithium induzierbar waren. Zusätzlich zu den Effekten an künstlichen Promotoren konnte gezeigt werden, dass Lithium über TORC1 die cAMP-induzierte Gentranskription an den nativen CRE/CREB-abhängigen Promotoren des humanen cfos-, BDNF(exonIV)- und NR4A2-Gens verstärkt. Dies deutet auf eine physiologische Relevanz des hier beschriebenen Effektes hin und könnte die Beeinflussung der Neuroplastizität durch Lithium erklären. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit einen neuartigen Mechanismus der Wirkung von Lithiumsalzen, der zu deren therapeutischem Effekt in der Behandlung bipolarer affektiver Störungen beitragen könnte.