Identification and Functional Characterization of Novel Ionotropic Glutamate Receptor Subunits at Drosophila Neuromuscular Synapse

Identification and Functional Characterization of Novel Ionotropic Glutamate Receptor Subunits at Drosophila Neuromuscular Synapse

Identifizierung und funktionelle Charakterisierung neuer ionotroper Glutamatrezeptoruntereinheiten der neuromuskulären Synapse von Drosophila melanogaster

Gang Qin

Doctoral thesis

Date of Examination: 2005-01-26

Date of issue: 2005-02-11

Advisor: Schürmann, Friedrich-Wilhelm Prof. Dr.

Referee: Schürmann, Friedrich-Wilhelm Prof. Dr.

Referee: Wimmer, Ernst A. Prof. Dr.

Referee: Irniger, Stefan PD Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B5F9-C

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Format: PDF

Description: Dissertation

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Abstract

English

The molecular mechanisms triggering the formation of synapses in vivo are crucial for understanding the development as well as the activity dependent remodelling of synaptic circuits. The Drosophila neuromuscular junction (NMJ) provides an excellent platform for investigating fundamental aspects of how glutamatergic synapse form in vivo. The molecular mechanisms relevant to synaptogenesis and growth control of the Drosophila NMJ were addressed by combining genome-wide transcript analysis with functional genetics. This allowed the identification of two novel postsynaptic muscle expressed ionotropic glutamate receptor subunits, GluR-IID and GluR-IIE. Genetic elimination of either of the two novel subunits resulted in paralyzed lethal embryos, indicating that both new subunits are essential for forming the postsynaptic glutamate receptor complex. Further genetic, cell biological and electrophysiological studies then uncovered a tight interdependence of all NMJ glutamate receptor subunits for synaptic localization and function. These results imply that the NMJ glutamate receptor complex has strictly hetero-tetrameric stoichiometry. This so far was not described for mammalian ionotropic glutamate receptors which are usually considered to be dimers of dimers. In the second part of the thesis, glutamate receptor deprived synapses were closer inspected. Surprisingly, depleting glutamate receptors (but not depleting synaptic neurotransmission activity) provoked severe ultrastructural and molecular defects of postsynaptic membrane organization and compartment formation. Thus, the glutamate receptor complex per se but not its ligand-gated ion channel activity seemingly plays an instructive role for assembling mature postsynaptic specializations. Such a structural role of glutamate receptor complexes in synaptic differentiation is novel. It might be relevant for the role ionotropic glutamate receptors play during synaptic plasticity of the mammalian brain, which is considered to be a cellular correlate of learning and memory processes.

Keywords: Drosophila; NMJ; GluR

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Die molekularen Mechanismen der Bildung von Synapsen in vivo sind ausschlaggebend, um die Entwicklung und aktivitätsabhängige Umstrukturierung von synaptischen Verbindungen zu verstehen. Die neuromuskuläre Terminale (NMJ) der Fruchtfliege Drosophila eignet sich besonders, im intakten Organismus grundlegende Aspekte der Bildung glutamaterger Synapsen zu verfolgen. Mittels einer Analyse des genomischen Transkriptionsprofils sowie funktioneller Genetik wurden molekulare Mechnismen des neuromuskulären Wachstums und der Synaptogenese hinterfragt. Hierdurch konnten zwei bisher unbekannte, postsynaptisch im Muskel exprimierte, ionotropische Glutamatrezeptoruntereinheiten, GluR-IID und GluR-IIE, identifiziert werden. Die genetische Deletion jeweils einer der beiden Untereinheiten resultierte in vollständiger Paralyse und embryonaler Lethalität. Beide neu identifizierten Untereinheiten sind demnach essentiell für die Bildung postsynaptischer Glutamatrezeptorkomplexe. Weitere genetische, zellbiologische und elektrophysiologische Experimente zeigten eine enge gegenseitige Abhängigkeit der synaptischen Lokalisation und Funktion aller Glutamatrezeptorunterheiten der NMJ. Daraus konnte geschlossen werden, dass neuromuskuläre Glutamatrezeptorkomplexe grundsätzlich heterotetramer aufgebaut sind. Im Weiteren wurden Synapsen mit stark reduzierter Glutamatrezeptorexpression analysiert. Überraschenderweise zeigte sich, dass eine Verarmung an Glutamatrezeptoren (jedoch nicht die Blockierung präsynaptischer Transmission) schwerwiegende ultrastrukturelle und molekulare Defekte in der Organisation und Kompartimentierung der postsynaptischen Membran hervorruft. Folglich trägt nicht die Aktivität des Ionenkanals, sondern der Glutamatrezeptorkomplex per se die entscheidende Rolle beim Aufbau funktioneller postsynaptischer Strukturen. Dieses Ergebnis könnte auch für ionotrope Glutamatrezeptoren im Säugergehirn von Bedeutung sein, deren Plastizität bekanntlich die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis bildet.

Schlagwörter: Drosophila; NMJ; GluR