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
by Gang Qin
Date of Examination:2005-01-26
Date of issue:2005-02-11
Advisor:Prof. Dr. Friedrich-Wilhelm Schürmann
Referee:Prof. Dr. Friedrich-Wilhelm Schürmann
Referee:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
Referee:PD Dr. Stefan Irniger
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1281
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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