Schmidt, Kathrin: Charakterisierung spannungsabhängiger Kaliumkanäle an glialen Vorläuferzellen der Maus


Kapitel 1. Einleitung

1.1. Oligodendrozyten sind die myelin-bildenden Zellen im ZNS

Das Zentralnervensystem von höheren Wirbeltieren läßt sich morphologisch in Bereiche von grauer und weißer Substanz einteilen. Die weiße Substanz besteht aus Nervenfasern (Axonen) und Gliazellen (Oligodendrozyten und Astrozyten). Die charakteristische weiße Farbe rührt von dem hohen Anteil an Myelin (50-60 % des Trockengewichts), der fettreichen Hüllsubstanz der Axone her. Auf einem myelinisierten Axon wechseln sich lange, myelinisierte Abschnitte mit kurzen myelinfreien Stücken, den Ranvierschen Schnürringen ab. Da die Myelinisierung eine elektrische Isolierung der Zellmembran bewirkt, ist die Erregbarkeit der Nervenzellmembran von myelinisierten Axonen auf die Ranvierschen Schnürringe beschränkt. Zusätzlich ist die Dichte an spannungsabhängigen Natrium- und Kaliumkanälen in diesen myelinfreien Bereichen der Axonmembran stark erhöht ( Waxman und Ritchie, 1985 , Waxman und Ritchie, 1993 ). Aus diesen Gründen erfolgt die Weiterleitung von Aktionspotentialen bei myelinisierten Fasern diskontinuierlich von Schnürring zu Schnürring, was zu einer enormen Erhöhung der Nervenleitgeschwindigkeit und zur Energieeinsparung führt.

In nichtmyelinisierten Nervenfasern hingegen sind die Natrium- und Kaliumkanäle gleichmäßig auf der Membran verteilt und die Aktionspotentiale werden kontinuierlich und langsamer fortgeleitet.

Erkrankungen, die eine Störung des Myelins bewirken, haben deshalb immer ernsthafte Störungen der Nervenleitung zur Folge. Bei der Multiplen Sklerose (MS) werden die myelinbildenden Zellen durch das Immunsystem angegriffen ( Storch und Lassmann, 1997 ) und zerstört. Dadurch wird die Weiterleitung von Nervenimpulsen im Gehirn massiv gestört (bzw. verlangsamt) und es kommt deshalb zu gravierenden Beeinträchtigungen der Patienten wie Lähmungen, Seh-, Sprach- oder Bewegungsstörungen.

Die myelin-bildenden Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS) sind die Oligodendrozyten. Ihre Proliferation wird durch eine Reihe von Wachstumsfaktoren reguliert. Kommen diese Zellen mit einem nicht myelinisierten Axon in Kontakt, so beginnen sie als Reaktion auf ein axonales Mitogen zu proliferieren. Es wurden verschiedene axonale Mitogene beschrieben, die auf das Oligodendrozyten- bzw. Schwannzellwachstum wirken können ( DeVries et al., 1983 , Chen und DeVries, 1989 ), z.B. die Proteinfamilie der Hereguline (HRGs) ( Morrissey et al., 1995 ) oder andere Wachstumsfaktoren wie bFGF (basic fibroblast growth factor) oder PDGF (platelet derived growth factor) ( Stewart et al., 1991 ).

Zur Bildung der Myelinscheide wachsen lange, zungenartige Membranfortsätze dieser Zellen spiralförmig mehrfach eng um ein Axon. Dabei wird das Zytoplasma in diesem Bereich fast vollständig reduziert, so daß um das Axon ein zylinderförmiger, eng gepackter Membranstapel, das reife Myelin, entsteht ( Morell et al., 1990 ; Hildebrand et al., 1993 ; Hildebrand et al., 1994 ). Oligodendrozyten können täglich bis zum Dreifachen ihrer Zellmasse an Myelin produzieren. Während die myelinbildenden Zellen des peripheren Nervensystems, die Schwannzellen, nur ein Axon umhüllen, können die Oligodendrozyten des ZNS 5 bis 50 Axonsegmente verschiedener Axone mit ihren Membranfortsätzen umhüllen ( Butt und Ranson, 1989 ; Bjartmar et al., 1994 ).

Die Membranzusammensetzung des Myelins unterscheidet sich stark von der Ursprungszelle. Im Myelin ist mit 70 % des Trockengewichts der Lipidgehalt viel höher als auf dem Zellkörper des Oligodendrozyten (40 %) ( Ludwin, 1997 ). Die Proteinkomponenten im Myelin dienen hauptsächlich zur Aufrechterhaltung der Myelinstruktur.

Ein wichtiges myelinspezifisches Membranprotein ist das Proteolipid Protein (PLP). Es bewirkt die gegenseitige Verankerung der gestapelten Myelinschichten ( Griffiths et al., 1995 ). Das basische Myelinprotein (myelin basic protein - MBP) macht 35 % des Myelinproteins aus ( Hildebrand et al., 1993 ). Es wird auf der zytoplasmatischen Seite der Membran exprimiert und bewirkt durch die Verankerung der gegenüberliegenden Membranseiten jeweils eines Ausläufers die Kompaktierung des Myelins ( Deber und Reynolds, 1991 ). Obwohl die Myelinproteine nur in relativ kleinen Mengen vorkommen, kann ihre Abwesenheit zu schweren Myelinisierungsstörungen führen. Das Charcot-Marie-Tooth-Syndrom ist eine Erbkrankheit des Menschen, bei der aufgrund von Störungen bei der Ausbildung der Myelinschicht die Nervenleitgeschwindigkeit stark herabgesetzt ist. Die Patienten leiden unter anderem unter Seh-, Sprach- und Bewegungsstörungen. Genetische Analysen haben gezeigt, daß eine Mutation des Hauptproteins des peripheren Myelins, des PMP22-Proteins die


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Ursache für die Erkrankung ist ( LeGuern et al., 1997 ; Warner et al., 1996 ). Das Pelizaeus-Merzbacher-Syndrom ist eine Erbkrankheit, die durch eine Veränderung des PLP-Genes verursacht wird ( Inoue et al., 1996 ). Auch diese Krankheit ist mit schweren Beeinträchtigungen wie spastischen Lähmungen, Bewegungsstörungen sowie stark herabgesetzter Intelligenz verbunden, die durch den Schwund der Markscheiden vor allem in den Großhirnhemisphären hervorgerufen werden.

Die Auswirkungen von Mutationen dieser Myelinproteine auf den Aufbau der Myelinstruktur werden in Tierexperimenten untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, daß sowohl die Mutation des PLP-Genes bei Mäusen des "jimpy-" Genotyps ( Schneider et al., 1995 ) als auch die Mutation des MBP-Genes bei Mäusen des"shiverer-" Typs ( Roach et al., 1985 ) eine starke Störung der Myelinbildung bewirken ( Rosenbluth, 1980 ).

Abbildung 1: Oligodendrozyten bilden die Myelinscheide von Axonen

Oligodendrozyten besitzen zahlreiche flache Ausläufer, die beim Kontakt mit einem unmyelinisierten Axonbereich dieses fest umwickeln. Zwischen den myelinisierten Abschnitten bleiben kurze Abschnitte der Axonmembran frei und somit fähig zur Weiterleitung von Aktionspotentialen. Dabei kann ein Oligodendrozyt bis zu 50 Axone myelinisieren.

1.2. Oligodendrozyten entwickeln sich aus proliferierenden Vorläuferzellen in den subventrikulären Zonen

Zur Ausbildung der komplexen Struktur des Nervensystems müssen die Stammzellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort ihren entsprechenden Differenzierungsweg durchlaufen. Die Informationen hierzu können der Zelle vererbt werden oder durch Faktoren aus ihrem lokalen Umfeld vermittelt werden. Während die ontogenetische Entwicklung von weniger hoch entwickelten Organismen weitgehend autonom reguliert wird, steht bei Vertebratenembryonen die direkte Beeinflussung des Entwicklungsweges durch lokale Wechselwirkungen zwischen Zellen im Vordergrund.

Der Ursprung aller Neuronen und Gliazellen des Zentralnervensystems sind Stammzellen, die in der frühen Embryonalentwicklung die zerebralen Ventrikel des Neuroepithels, den Spinalkanal sowie den optischen Kanal auskleiden ( Levison und Goldman,1993 ; Cameron-Curry und Le-Douarin, 1995 ; Miller, 1996 ). Oligodendrozyten entstehen aus proliferierenden Vorläuferzellen, die während der frühen Embryonalentwicklung aus den Keimzonen um die Ventrikel in die spätere weiße Substanz einwandern ( Gansmüller et al., 1991 , Warf et al., 1991 , Yu et al., 1994 ). Über die Faktoren, die diese Zellbewegung steuern, ist noch nicht viel bekannt. Es wird vermutet, daß Zelladhäsionsmoleküle ( Ludwin, 1997 ) und lokale Gradienten von Wachstumsfaktoren ( McMorris und McKinnon, 1996 ) dabei eine große Rolle spielen. Um diese Mechanismen besser verstehen zu können, wurden die Eigenschaften und die Entwicklung der Oligodendrozyten in vitro untersucht ( Hardy und Reynolds, 1991 ; Noble und Wolswijk, 1992 ; Raff et al., 1983 ; Cameron und Rakic, 1991 Cameron und Rakic, 1991). Oligodendrozyten-Vorläuferzellen teilen sich auch in Zellkultur bei Zugabe von Wachstumfaktoren wie PDGF und bFGF ( Noble et al., 1990 ) oder Astrozyten-konditioniertem Medium


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( Raff et al., 1988 ).

Für Vorläuferzellen aus verschiedenen Hirnregionen konnte gezeigt werden, daß sich diese in Kultur in serumfreiem Medium zu Oligodendrozyten oder bei Zusatz von fötalem Kälberserum (FCS) zu Typ2-Astrozyten entwickeln ( Raff et al., 1983 ). Bisher konnte jedoch nur in einer Untersuchung gezeigt werden, daß diese Vorläuferzellen sich auch in vivo zu Typ2-Astrozyten entwickeln können ( Levison und Goldman,1993 ).

1.3. Die Entwicklung der Oligodendrozyten ist durch die Expression spezifischer Antigene gekennzeichnet

Die Entwicklung der Oligodendrozytenvorläuferzellen zu reifen Oligodendrozyten ist durch die Expression verschiedener Zelloberflächenantigene und die Reaktion auf verschiedene Wachstumfaktoren gekennzeichnet. Das früheste experimentell untersuchte Stadium der Oligodendrozytenentwicklung ist durch die Expression der Zelloberflächenantigene (Ganglioside) gekennzeichnet, die durch den monoklonalen Antikörper A2B5 ( Eisenbarth et al., 1979 ) erkannt werden. Diese frühen Vorläuferzellen proliferieren in Reaktion auf eine Reihe von Wachstumsfaktoren wie PDGF und bFGF ( Noble et al., 1988 ) und sind zur Wanderung fähig ( Small et al., 1987 ). bFGF verhindert zusätzlich die Ausdifferenzierung der Vorläuferzellen und bewirkt eine erhöhte Synthese von PDGF-Rezeptoren ( McKinnon und Yellen, 1990 ).

Abbildung 2: Schema der Oligodendrozytenentwicklung

Die Entwicklung von Oligodendrozyten aus dem optischen Nerv der Ratte aus ihren Vorläuferzellen in vitro ist durch die Expression spezieller Antigene gekennzeichnet.

Während der weiteren Entwicklung verlieren die frühen Vorläuferzellen ihre migratorische Aktivität sowie die A2B5-Antigene und exprimieren Antigene (Sulfatid, Seminolipid), die durch den monoklonalen Antikörper O4 ( Sommer und Schachner, 1981 ) erkannt werden sowie das Gangliosid GD3 ( Goldmann et al., 1984 ; Curtis et al., 1988 ) und werden dann als späte Vorläuferzellen bezeichnet. Diese Zellen entwickeln eine komplexere Morphologie mit mehreren Ausläufern und reagieren nicht mehr auf den Wachstumsfaktor PDGF ( Fok und Miller, 1994 ), proliferieren z.T. jedoch noch nach Stimulation mit bFGF.

Das folgende Entwicklungsstadium der sich normalerweise nicht mehr teilenden frühen Oligodendrozyten ist durch eine zusätzliche Expression von O1-Antigenen, ( Sommer und Schachner, 1981 ) (Galaktocerebrosid, Monogalaktosyl-diglyzerid, Psychosin), ( Raff et al., 1978 ; Ranscht et al., 1982 ; Bansal et al., 1989 ) gekennzeichnet. Bei den reifen, myelinbildenden Oligodendrozyten kommt dazu noch eine Expression des O10-Antigens, des Proteolipid-Proteins ( Kuhlmann et al., 1988 , Jung et al., 1996 ) und von weiteren Myelinproteinen wie 2'3'zyklische-Nukleotid-3'-Phophohydrolase (CNP), Myelin-assoziiertes Glykoprotein (MAG), basisches Myelinprotein und Myelin/Oligodendrozytenprotein.

Man nimmt an, daß die Differenzierung der Oligodendrozyten in vivo mit einem ähnlichen Zeitverlauf


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vonstatten geht ( Temple und Raff, 1986 ).

Die Oligodendrozytenbildung muß auch in vivo relativ stark reguliert werden. Im optischen Nerv der Ratte sterben ca. 50 % der Oligodendrozyten durch programmierten Zelltod (Apoptose) aufgrund der limitierten Menge an Wachstumsfaktoren ( Barres et al., 1992 ). Während der weiteren Differenzierung der Zellen scheint die elektrische Aktivität von Axonen eine für das Überleben der Oligodendrozyten und die Myelinbildung wichtige Bedingung zu sein ( Barres und Raff, 1993 ). Oligodendrozyten, die in diesem Stadium nicht innerhalb weniger Tage ein unmyelinisiertes Axon erreicht haben, sterben durch Apoptose ( Raff et al., 1993 ). Auf diese Weise wird eine optimale Dichte an Myelin erreicht.

1.4. Oligodendrozytenvorläuferzellen exprimieren spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Lange Zeit galten Gliazellen aufgrund ihres negativen Membranpotentials und ihrer hohen Kaliumleitfähigkeit als elektrisch passiv. In der letzten Zeit wurden jedoch auch bei Gliazellen spannungs- und ligandengesteuerte Ionenkanäle gefunden (Übersicht s. Barres et al., 1990c , Sontheimer, 1994 ). Das Expressionsmuster der Kaliumströme ist bei Gliazellen spezifisch für ihr Entwicklungsstadium ( Sontheimer et al., 1989 ). Oligodendrozytenvorläuferzellen exprimieren vorwiegend auswärts rektifizierende Kaliumströme ("delayed rectifier" und z.T. "A-Typ-" Ströme), zu einem geringen Anteil auch spannungsabhängige Kalzium- und Natriumkanäle sowie GABA- und Glutamatrezeptoren ( Barres et al., 1990a , von Blankenfeld und Kettenmann, 1991 , Patneau et al., 1994 ). Im Gegensatz dazu besitzen reife Oligodendrozyten eine passive und/ oder einwärts rektifizierende Kaliumleitfähigkeit.

Abbildung 3: Am Ionentransport von Oligodendrozyten-Vorläuferzellen beteiligte Membranproteine

Oligodendrozyten-Vorläuferzellen verfügen im Gegensatz zu reifen Oligodendrozyten über spannungsaktivierte, auswärts rektifizierende K+ Kanäle, sowie über ionotrope GABAA und Glutamatrezeptoren. Der Kaliumgradient über der Zellmembran wird durch die Na+/K+ ATPase aufrechterhalten.


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1.5. Spannungsabhängige K+ Ströme

Spannungsabhängige Kaliumkanäle (Kv-Kanäle) werden durch Membrandepolarisation aktiviert ( Hille, 1992 ). Während sowohl beim Ruhemembranpotential als auch bei hyperpolarisierenden Potentialen kein Strom durch diese Kanäle fließt, werden die Kv-Kanäle mit steigender Depolarisierung (Aktivierungsschwelle um -40 mV) aktiviert. Zusätzlich tritt aber eine spannungsabhängige Inaktivierung der einmal geöffneten Kanäle statt, die zur Folge hat, daß bei stark depolarisierenden Potentialen die Leitfähigkeit der Kv-Kanäle wieder abnimmt.

Historisch gesehen unterscheidet man zwei Typen spannungsabhängiger Kaliumströme. Die "delayed rectifier" aktivieren mit einer zeitlichen Verzögerung ("delay") und inaktivieren langsam (Zeitkonstanten>100ms). Die "A-Typ-" Ströme dagegen inaktivieren sehr schnell mit Zeitkonstanten<100ms ( Connor und Stevens, 1971a ; Connor und Stevens, 1971b ) und werden erst durch Hyperpolarisation erneut aktiviert.

1.6. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle sind heteromere Transmembranproteinkomplexe

Ein funktioneller Kanal besteht bei spannungsabhängigen Kaliumkanälen aus vier a-Untereinheiten, die die Kanalpore bilden (s. Abb. 4) ( Liman et al., 1992 ). Zusätzlich können an der zytoplasmatischen Seite vier b-Untereinheiten gebunden sein (s. Abb. 4A).

Jede a-Untereinheit enthält sechs hydrophobe Transmembrandomänen (S1-S6). Die C- und N-terminalen Enden jeder Untereinheit befinden sich auf der zytoplasmatischen Seite (s. Abb. 4B). Die eigentliche Porenstruktur wird durch die Region gebildet, die die Segmente S5 und S6 verbindet (H5 oder P-Region). Ebenfalls am Aufbau der Pore beteiligt sind die Struktur zwischen dem S4 und S5-Segment und das carboxyterminale Ende des S6-Segments. Man nimmt an, daß die S4-Domäne eine Komponente des Spannungssensors darstellt, denn sie enthält an jeder dritten Stelle eine basische Aminosäure (Lysin oder Arginin), die eine positive Nettoladung trägt ( Papazian et al., 1991 )(Übersicht s. Catterall, 1988 ; Chandy und Gutman, 1995 ; Pongs, 1992 ).

Für die Inaktivierung von spannungsabhängigen Kaliumkanälen sind zwei verschiedene Mechanismen bekannt, die durch unterschiedliche strukturelle Elemente des Kanalmoleküls bewirkt werden ( Hoshi et al., 1990 ; Hoshi et al., 1991 ) Die schnelle Inaktivierung (sog. N-Typ-Inaktivierung) wird durch eine Region nahe dem N-Terminus des Moleküls, den Inaktivierungspartikel, bewirkt. Eine andere, langsamere Inaktivierung wird durch Strukturen am C-Terminus des Moleküls bewirkt (C-Typ-Inaktivierung).

Spannungsabhängige Na+ und Ca2+ Kanäle haben eine ähnliche molekulare Struktur wie Kv-Kanäle, allerdings existiert dort nur eine porenbildende Untereinheit mit 4x6 Transmembranregionen (s. Catterall, 1988 ).


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Abbildung 4: Molekularer Aufbau von spannungsabhängigen Kaliumkanälen

  1. Ein spannungsabhängiger Kaliumkanal wird aus 4 transmembranen a-Untereinheiten gebildet, an die auf der zytoplasmatischen Seite der Membran 4 b-Untereinheiten gebunden sein können.
  2. Eine a-Untereinheit ist ein Protein mit 6 hydrophoben Transmembrandomänen. Die Pore befindet sich zwischen der 5. und 6. Transmembrandomäne, N- und C-Terminus befinden sich auf der zytoplasmatischen Membranseite.

1.7. Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle kodieren für eine Vielzahl unterschiedlicher Kaliumströme

In den letzten Jahren wurden mit elektrophysiologischen und pharmakologischen Methoden eine Vielzahl unterschiedlicher Kaliumströme beschrieben. Diese große Heterogenität ist zum einen durch eine hohe Anzahl unterschiedlicher K+ Kanalgene sowie zum anderen durch eine Vielzahl von Regulationsmechanismen begründet.

Die Zahl der K+ Kanalgene ist nicht nur in Säugern, sondern auch in weniger hoch entwickelten Tieren sehr groß. Das Nervensystem des Nematoden Caenorhabditis elegans besteht aus nur 302 Neuronen. Im Rahmen des C. elegans Genomprojekts wurde die bis jetzt sequenzierte DNA-Menge (ca. 45 %) auf vorhandene K+ Kanalgene getestet (Wei et al., 1996). Dabei wurden insgesamt 38 K+ Kanalgene gefunden. Darauf aufbauend wird die Zahl der Kaliumkanalgene im gesamten C. elegans Genom auf 50-80 geschätzt.

Insgesamt sind mindestens 21 verschiedene a-Untereinheiten von spannungsabhängigen Kaliumkanälen bekannt. Diese lassen sich anhand der Sequenzhomologie in 9 Gruppen unterteilen (Kv1 bis Kv9) ( Chandy und Gutman, 1995 ). Die größte Gruppe bildet die Kv1-Familie (oder Shaker-


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Kanalfamilie) ( Tempel et al., 1987 , Papazian et al., 1987 ), die ursprünglich aus der Fruchtfliege Drosophila melanogaster kloniert wurde ( Kamb et al., 1987 ) mit bislang 6 Kanalmolekülen (Kv1.1-Kv1.6). Alle Kanäle dieser Gruppe werden im Zentralnervensystem mit unterschiedlichem regionalem Verteilungsmuster exprimiert ( Veh et al., 1995 ).

Viele Kaliumkanalmoleküle sind kloniert und in Expressionssystemen funktional exprimiert worden ( Timpe et al., 1988 , Grissmer et al., 1994 ). Die elektrophysiologischen und pharmakologischen Eigenschaften der homomeren Kanäle sind daher schon relativ gut bekannt. Diese Daten lassen sich jedoch in den meisten Fällen nicht mit in situ vorkommenden K+ Strömen korrelieren.

Dies liegt einerseits daran, daß innerhalb einer Kanalfamilie sowohl homotetramere Kanäle als auch heterotetramere Kanäle mit gemischten Eigenschaften gebildet werden können ( Ruppersberg et al., 1990 , Sheng et al., 1993 ). Durch die Assoziation von b-Untereinheiten werden andererseits die elektrophysiologischen Eigenschaften zusätzlich verändert, a/b Kanäle inaktivieren sehr viel schneller (innerhalb weniger ms) als Kanäle ohne assoziierte b-Untereinheiten ( Rettig et al., 1994 , Heinemann et al., 1996 , Nakahira et al., 1996 ).


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Tabelle 1: Arten von spannungsabhängigen Kaliumkanalmolekülen

Kanalfamilie

Kanalmolekül

Aktivierungs-kinetik

Inaktivierungs-kinetik

Vorkommen

Shaker (Kv1)

Kv1.1

schnell

DR

ZNS

Kv1.2

schnell

DR

Herz, ZNS

Kv1.3

schnell

DR

T-u. B-Zellen, ZNS

Kv1.4

schnell

A-Typ

Herz, ZNS

Kv1.5

schnell

DR

Herz, ZNS, glatte Muskulatur

Kv1.6

schnell

DR

ZNS





Shab (Kv2)

Kv2.1

langsam

DR

ZNS, Herz

Kv2.2

langsam

DR

ZNS






Shaw (Kv3)

Kv3.1

langsam

DR

T-Zellen

Kv3.2

langsam

DR

ZNS

Kv3.3

langsam

A-Typ

ZNS

Kv3.4

langsam

A-Typ

Skelettmusk.ZNS






Shal (Kv4)

Kv4.1

schnell

A-Typ

ZNS

Kv4.2

schnell

A-Typ

ZNS, Herz

Kv4.3

schnell

A-Typ







Kv5

Kv5.1

kein Strom

Modulation von Kv2


Kv6

Kv6.1

kein Strom

Modulation von Kv2


Kv7

?

?

?


Kv8

Kv8.1

kein Strom

Modulation von Kv2/Kv3

ZNS

Kv9

Kv9.1

kein Strom

Modulation von Kv2

ZNS


Kv9.2

kein Strom

Modulation von Kv2

ZNS

Weiterhin sind für spannungsgesteuerte Kaliumkanäle verschiedene Regulationsmechanismen sowohl auf mRNA-Ebene (Expression von unterschiedlich effektiv translatierten mRNAs, Wymore et al., 1996 ) als auch auf Proteinebene (Phoshorylierung, Levitan, 1994 ) beschrieben worden.


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Die Proteinsequenz der Shaker (Kv1) Kanäle ist zwischen den unterschiedlichen Spezies stark konserviert (z.B. Mensch und Rind: mehr als 98 % Identität des Proteins). Dies ist ein Anhaltspunkt dafür, daß diese Kaliumkanäle wichtige Funktionen in der Physiologie der Zellen erfüllen.

1.8. Spannungsabhängige Kaliumkanäle regulieren wichtige Zellfunktionen

Spannungsabhängige Kaliumkanäle spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Zellfunktion sowohl in erregbaren als auch in nichterregbaren Zellen.

Während ihre Aktivierung in nichterregbaren Zellen vorwiegend eine Stabilisierung des Membranpotentials bewirkt, sind sie in erregbaren Zellen zusätzlich an der Strukturierung des Aktionspotentials beteiligt. Dabei werden durch die Depolarisation der Zellmembran "delayed rectifier-" K+ Kanäle aktiviert. Diese öffnen mit einer zeitlichen Verzögerung von ungefähr 2 ms und führen durch einen Ausstrom von Kaliumionen zu einer Repolarisation der Membran. ( Hille, 1992 ). Die Expression dieser Kanäle hat somit einen großen Einfluß auf die Länge und Amplitude des Aktionspotentials ( Barish, 1986 ).

Langandauernde Aktionspotentiale (100-1000 ms; Hille, 1992 ) führen durch die Aktivierung von spannungsabhängigen Kalziumkanälen zu einem signifikanten Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration ( Barish, 1991 ). Der Kalziumeinstrom hat Einfluß auf die Menge des an Synapsen ausgeschütteten Neurotransmitters ( Zucker, 1993 , Reuter, 1996 ), dieser wiederum kann die Ausbildung von funktionalen Synapsen beeinflussen ( Henderson et al., 1984 für die Ausbildung von Neuron-Myozyten-Kontakten). Außerdem kann durch den intrazellulären Kalziumanstieg die Genexpression beeinflußt werden, und damit z.B. Neuritenwachstum oder neuronale Differenzierungsvorgänge ( Jones und Ribera, 1994 , Holliday und Spitzer, 1993 ) gesteuert werden.

Weil die "delayed rectifier-" Kaliumkanäle während der Repolarisation des Aktionspotentials nur langsam inaktivieren, kommt es zu einer leichten Hyperpolarisation der Zellmembran (10-20 mV). Durch diese Hyperpolarisation werden die A-Typ-Ströme aktiviert (halbmaximale Aktivierungsspannung ca. -70 mV, Hille, 1992 ), die jedoch schnell spannungsabhängig wieder inaktivieren. Auf diese Weise regulieren A-Typ-K+-Ströme in Neuronen die Zeitspanne zwischen zwei Aktionspotentialen und somit die "Feuerrate" des Neurons. Diese stellt einen wichtigen Parameter bei der Verschlüsselung der neuronalen Information dar.

In den Pyramidenzellen des Hippocampus z.B. ist die Dichte von "A-Typ" K+ Kanälen in den Dendriten besonders hoch. Dies verhindert die Initiation von Aktionspotentialen in den Dendriten sowie die Rückwärtsleitung von am Axonhügel ausgelösten Aktionspotentialen ( Hoffman et al., 1997 ).

Während in neuronalen Zellen bereits viel über die physiologische Rolle von spannungsabhängigen Kaliumkanälen bekannt ist, sind die physiologischen Konsequenzen der Expression dieser Kanäle in nichterregbaren Zellen nur wenig bekannt. U.a. wurde eine Rolle von spannungsabhängigen Kaliumkanälen bei der Regulation der Zellproliferation ( Knutson et al., 1997 , Lepple-Wienhues et al., 1996 ), bei der Volumenregulation ( Deutsch und Chen, 1993 ) und beim programmierten Zelltod (Apoptose) ( Yu et al., 1997 ) beschrieben.

Gallo et al., 1996 zeigten an kultivierten Oligodendrozytenvorläuferzellen, daß die Aktivierung von Glutamatrezeptoren (des AMPA/Kainat-Typs) die Proliferation und Weiterdifferenzierung dieser Zellen hemmt. Dieser Effekt ist durch die Blockierung von "delayed rectifier-" K+ Kanälen mit Tetraethylammonium (TEA) reproduzierbar. Es wird angenommen, daß der Einstrom von Na+ über den Rezeptorkanal zu einer Erhöhung der intrazellulären Na+ Konzentration und somit zu einem Block von auswärts rektifizierenden Kaliumkanälen führt ( Borges und Kettenmann, 1995 , Knutson et al., 1997 ).

1.9. Gliale Neurotransmitterrezeptoren können Neuron/Glia-Interaktionen vermitteln

Gliazellen befinden sich im Gehirn in engem Kontakt mit neuronalen Zellkörpern, Axonen und synaptischen Strukturen. Eine Reihe von Untersuchungen mit der Patch-Clamp-Technik, Kalzium-Imaging-Techniken sowie mit molekularbiologischen Techniken haben gezeigt, daß nicht nur Neuronen, sondern auch Gliazellen abhängig von Entwicklungsstadium, Zelltyp und der entsprechenden Hirnregion spannungsabhängige Ionenkanäle ( Barres et al., 1990a ; Barres et al., 1990b ; Sontheimer und Waxman, 1993 ; Sontheimer, 1994 ) und Neurotransmitterrezeptoren ( von Blankenfeld und Kettenmann, 1991 ; Berger et al., 1992 ; Patneau et al., 1994 ; Gallo und Russell, 1995 )


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exprimieren können. Aufgrund der anatomischen Nähe zu neuronalen Elementen sind Gliazellen, die Rezeptoren für die entsprechenden Neurotransmitter besitzen, in der Lage, neuronale Signale zu empfangen. Astrozyten bilden nach Stimulation mit Glutamat vermehrt Ausläufer. Auf diesem Wege vermutet man eine längerfristige Modulation der synaptischen Verbindungen, wie sie z.B. für das Langzeitgedächtnis notwendig sind ( von Blankenfeld und Kettenmann, 1991 ).

1.10. Kaliumkanäle werden durch die Aktivierung von Glutamatrezeptoren beeinflußt

Oligodendrozyten und Oligodendrozytenvorläuferzellen zeigen rezeptorvermittelte Antworten auf den wichtigsten erregenden Neurotransmitter im ZNS, Glutamat. Diese lassen sich auf unterschiedliche Arten von Rezeptoren zurückführen.

Die Signalweiterleitung von Transmitterrezeptoren kann entweder metabotrop, d.h. durch die Aktivierung von intrazellulären "second-messenger" Kaskaden oder ionotrop durch das Öffnen eines in den Rezeptor integrierten Ionenkanals geschehen. Ionotrope Glutamatrezeptoren besitzen einen relativ wenig selektiven Kationenkanal, der bei Aktivierung des Rezeptors einen vorwiegend von Natriumionen (z.T. auch Kalziumionen) getragenen Einwärtsstrom bewirkt ( Schneggenburger et al., 1993 , Tempia et al., 1996 ). Glutamatrezeptoren lassen sich weiterhin aufgrund ihrer Selektivität für die Agonisten NMDA (N-methyl-D-Aspartat), AMPA (Amino-3-hydroxy-5-methylisoxazol-4-propionat) oder Kainat unterscheiden. Am meisten verbreitet sind ionotrope Rezeptoren des non-NMDA-Typs, die durch die Agonisten AMPA und Kainat und den spezifischen Antagonisten DNQX (6,7-Dinitroquinoxalin-2,3-dioxion) charakterisiert sind (s. von Blankenfeld und Kettenmann, 1991 ). In Zellen der Oligodendrozyten-Linie wurden AMPA/Kainat-Rezeptoren u.a. in Zellkulturen des jungen und adulten optischen Nervs der Ratte ( Borges und Kettenmann, 1995 ), sowie embryonalem Maus-Gehirn ( Borges et al., 1994 ), frisch isolierten Zellen des unreifen optischen Nervs und in Hirnschnitten des corpus callosum der Maus ( Berger et al., 1992 ) gefunden. In kultivierten Rattenoligodendrozyten und Oligodendrozytenvorläuferzellen konnten Patneau et al. ( Patneau et al., 1994 ) die mRNAs für die AMPA-Rezeptor-Untereinheiten GluR1 (nur gering), GluR2,3und 4 sowie die Kainat-Rezeptor-Untereinheiten GluR6,7 und KA1 und KA2 nachweisen.

In einer Vielzahl von Zellen, u.a. kultivierte embryonale ( Borges et al., 1994 ) und adulte Oligodendrozytenvorläuferzellen ( Borges und Kettenmann, 1995 ), Bergmann Gliazellen ( Müller et al., 1992 ) oder Gliazellen des Hippocampus in situ ( Jabs et al., 1994 ) führt eine Aktivierung der AMPA/Kainatrezeptoren zu einer Reduktion der Kaliumleitfähigkeit. In Bergmanngliazellen wird dies durch einen Kalziumeinstrom über den AMPA/Kainatrezeptor und anschließenden Block von Kalzium-sensitiven Kaliumkanälen bewirkt ( Müller et al., 1992 ).

In kultivierten Oligodendrozytenvorläuferzellen aus embryonalem Maushirn führt die Aktivierung des AMPA/Kainatrezeptors zu einer Blockade von Kalium-Auswärtsströmen des "delayed-rectifier-" Typs, während die Einwärtsströme nicht beeinflußt werden ( Borges et al., 1994 ). Dieser Effekt wird nicht durch einen Kalziumeinstrom in die Zelle bewirkt, da er in kalziumfreier Lösung nicht reproduziert werden konnte. Es wird vermutet, daß dieser Block durch einen Einstrom von Natrium-Ionen über das Rezeptormolekül vermittelt wird und die erhöhte intrazelluläre Na+ Konzentration die K+ Kanäle blockiert ( Borges und Kettenmann, 1995 )

Derselbe Mechanismus wird von Robert und Magistretti ( Robert und Magistretti, 1997 ) für den AMPA/Kainat-rezeptorvermittelten Block von K+ Strömen in kultivierten Astrozyten vorgeschlagen.

1.11. Expression von inhibitorischen Neurotransmitterrezeptoren (GABA-Rezeptoren) in Oligodendrozyten/Oligodendrozytenvorläuferzellen

Inhibitorische Neurotransmitter (wie z.B. GABA) führen nach der Aktivierung der entsprechenden Rezeptoren zu einer Hyperpolarisation des Membranpotentials.

Ionotrope GABAA-Rezeptoren sind permeabel für Chlorid und werden durch den spezifischen Agonisten Muscimol geöffnet und durch den spezifischen Antagonisten Bicucullin sowie den Chloridkanalblocker Picrotoxin gehemmt ( von Blankenfeld und Kettenmann, 1991 ). Bei Neuronen hingegen wirkt GABA als inhibitorischer Transmitter, da aufgrund der niedrigeren intrazellulären Chloridkonzentration die Rezeptoraktivierung zu einem Einstrom von Cl- Ionen und damit zu einer Hyperpolarisation der Zellmembran führt. Bei Gliazellen und bei einigen Neuronen (z.B. Körnerzellen) hingegen kommt es zu einem Ausstrom von Cl- Ionen aus der Zelle und dementsprechend zu einer


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Depolarisation.

Oligodendrozyten und Oligodendrozytenvorläuferzellen exprimieren ionotrope GABA-Rezeptoren des GABAA-Typs ( Kettenmann et al., 1991 ; Berger et al., 1992 ; Butt und Tutton, 1992 ).

Sowohl in Bergmann Gliazellen ( Müller et al., 1994 ), kultivierten Körnerzellen ( Labrakakis et al., 1997 ) und in Astrozyten und Oligodendrozytenvorläuferzellen in Rückenmarksschnitten von neonatalen Ratten ( Pastor et al., 1995 ) führt die Aktivierung von GABAA-Rezeptoren zu einer Blockierung von Kaliumströmen.

Da Gliazellen somit in der Lage sind, neuronale Signale zu empfangen, ist es anzunehmen, daß Gliazellen auch aktiv an der Signalübertragung im Gehirn teilnehmen.


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Mon Mar 1 12:22:43 1999