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

Abstract

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.