The role of glutamate receptors in formation and maturation of Drosophila neuromuscular synapses

Abstract

Ionotropische Glutamatrezeptoren (GluRs) sind Schlüsselelemente der Neurotransmission im zentralen Nervensystem (ZNS). Im ZNS von Säugern trägt sowohl die aktivitätsabhängige als auch -unabhängige Inkorporation von GluRs in die postsynaptische Dichte (PSD) glutamaterger Synapsen zu deren Plastizität und somit zu Lern- und Gedächtnisprozessen bei. Ob ähnliche Prozesse auch während der Ausbildung und Adaptation von glutamatergen Synapsen, beispielsweise während der Entwicklung des neuronalen Systems, stattfinden, ist bislang unbekannt. Die neuromuskuläre Endplatte (NMJ) von Drosophila ist ein leicht zugängliches Modellsystem, an dem durch Kombination von effizienter Genetik mit physiologischen, ultrastrukturellen und histologischen Analysen zelluläre und molekulare Mechanismen weitgreifend in vivo untersucht werden können. Zwei Glutamatrezeptorkomplexe, die entweder die Untereinheit GluRIIA oder GluRIIB beinhalten, werden an der NMJ exprimiert. Kürzlich wurde aufgezeigt, dass GluRIIA- und GluRIIB-Komplexe die Anzahl der Synapsen und die Transmissionsleistung der NMJ in einer antagonistischen Weise beeinflussen. In dieser Arbeit wurde in vivo untersucht, welche Rolle GluRs und ihre untereinheiten-spezifischen Inkorporation für die Ausbildung und Reifung von PSDs an der sich entwickelnden NMJ spielen.Eine drastische genetische Reduktion aller Glutamatrezeptoren an der NMJ resultierte in einer Inhibition der Reifung von PSDs. Proteine, die normalerweise aus der postsynaptischen Membran ausgeschlossen sind, residierten an diesen unausgereiften Kompartimenten. Die initiale postsynaptische Assemblierung blieb unbetroffen, genauso wie die Komposition und Ultrastruktur präsynaptischer aktiver Zonen und deren Freisetzung des Neurotransmitters Glutamat. Erstaunlicherweise erschienen synaptische Transmission sowie Glutamatbindung an die Glutamatrezeptoren vernachlässigbar für die Reifung der Synapsen zu sein.Darauf aufbauend wurde die Dynamik von GluRIIA und GluRIIB während der Ausbildung und Reifung von PSDs mittels in vivo Mikroskopie verfolgt. Dabei beschränkte sich die Inkorporation von GluRIIA ausschließlich auf die Wachstumsphase der PSDs. Sobald eine adäquate präsynaptische Freisetzung von Glutamat und postynaptische Leitfähigkeit an einer reifenden PSD erreicht war, wurde eine weitere Inkorporation von GluRIIA blockiert, vermittelt durch den C-Terminus der Untereinheit GluRIIA. Im Kontrast dazu war die Inkorporation von GluRIIB reversibel und uniform über alle PSDs, unabhängig vom Status der synaptischen Reife. Diese Arbeit zeigt, dass die Inkorporation von GluRs in PSDs und möglicherweise ihre Protein-Protein Interaktionen mit weiteren Komponenten der PSD eine Konversion von einem initialen zu einem reifen Stadium der Assemblierung von PSDs veranlassen. Außerdem wird demonstriert, dass die untereinheiten-spezifische Integration von GluRs in PSDs auch die entwicklungsabhängige Ausbildung und Reifung von glutamatergen Synapsen kontrolliert. Zwei Glutamatrezeptorkomplexe mit gegensätzlichen Eigenschaften konkurrieren um die Inkorporation in PSDs. Diese Konkurrenz scheint notwendig zu sein, die durch Glutamat vermittelte postsynaptische Leitfähigkeit und die präsynaptische Freisetzung des Neurotransmitters kontinuierlich aneinander anzupassen. Die untereinheiten-spezifische Inkorporation von GluRs beeinflusst die finale Größe und physiologische Leistungsfähigkeit individueller Synapsen sowie die Abstimmung der Synapsenanzahl pro NMJ und damit deren kollektive Transmissionsstärke.