[Seite 1↓]

1  Einleitung

1.1 Synaptische Transmission und Plastizität

Das menschliche Gehirn besitzt nach bester Schätzung etwa 1011 Neuronen, die ein komplexes Netzwerk zum Informationsaustausch bilden und somit die Grundeinheiten der spezifischen Hirnleistungen darstellen. Die einzelnen Neuronen kommunizieren über Synapsen, wobei jedes Neuron über einige 100 bis zu 200.000 solcher spezialisierten Kontaktpunkte verfügt bzw. mit anderen Zellen aufbaut.

Man unterscheidet zwischen elektrischen und chemischen Synapsen. Elektrische Synapsen repräsentieren elektrische Koppelungen und werden von gap junctions gebildet, die aus Connexinmolekülen bestehen. Sie sind charakterisiert durch hohe Transmissionsgeschwindigkeit und relativ stereotype Funktionen. Elektrische Synapsen kommen auch in anderen Geweben des Organismus vor wie z.B. Herzzellen oder glatten Muskelzellen. Im Gehirn sind sie deutlich weniger verbreitet als chemische Synapsen.

An chemischen Synapsen wird Information über die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt und deren nachfolgende Bindung an postsynaptische Rezeptoren übertragen. Chemische Synapsen vermitteln sowohl exzitatorische als auch inhibitorische Signale und sind an komplexen Funktionsabläufen beteiligt. Sie können Signale amplifizieren und dadurch notwendige Feinabstimmungen während des Informationstransportes durchführen. Langfristige Veränderungen synaptischer Funktionen sind zusätzlich an die Proteinsynthese gebunden. Obwohl die Synapse in weiten Bereichen autonom funktionieren kann, ist besonders für solche Funktionen die Kommunikation mit dem Perikaryon der Nervenzelle notwendig. Die generelle Fähigkeit der Neuronen zur synaptischen Plastizität stellt dabei eine wichtige Voraussetzung für Erinnerungs- und Lernprozesse dar.

Bei der Erregungsübertragung läuft ein Aktionspotential das Axon entlang und erreicht die Synapse. Dort werden u.a. spannungsabhängige Kalziumkanäle geöffnet, durch die Kalzium in die Zelle einströmen kann. Die Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration bewirkt die Freisetzung von Neurotransmittern aus synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt. Hierdurch wird an der postsynaptischen Membran die Entstehung von elektrischen postsynaptischen Potentialen (EPSPs und IPSPs) ausgelöst.

Nach abgeschlossener Exozytose, also der Fusion der Vesikel mit der Plasmamembran und Freisetzung des Vesikelinhaltes, wird die Vesikelmembran wieder von der Plasmamembran durch Endozytose abgeschnürt (Cremona et al., 1997). Die entstandenen Vesikel werden erneut mit Neurotransmittern beladen. In der Membran der synaptischen Vesikel sitzen hierfür spezifische Transportproteine, die Transmitter aus Zytoplasmaspeichern, getrieben [Seite 2↓]durch einen elektrochemischen Protonengradienten, im Vesikellumen konzentrieren (Edwards et al., 1992, Höltje et al., 2000). Durch die Speicherung von spezifischen Transmittern wird dabei eine selektive Freisetzung uniformer Transmitterpakete während der Exozytose ermöglicht. Der Kreislauf der Vesikelregenerierung kann in der Präsynapse mehrmals wiederholt werden.

Die synaptischen Vesikel innerhalb der Präsynapse teilen sich auf in eine Population sofort freisetzbarer Vesikel, welche bereits an der Plasmamembran angedockt sind, und eine größere Population im Zytoplasma verteilter Vesikel. Im Verlauf der Neurotransmission wird die kleine Population sofort freisetzbarer Vesikel schnell erschöpft und aus der noch nicht mit der Plasmamembran assoziierten Reservepopulation der Synapse ersetzt (Zucker et al., 1996, Wu et al., 1999). Ribbons, als submikrometergroße längliche Strukturen unterhalb der Plasmamembran, sind wahrscheinlich für den Transport der Vesikel zur Plasmamembran verantwortlich und für deren dortige Positionierung an aktiven Zonen zur schnelleren Fusion der Vesikel mit der Plasmamembran (Zenisek et al., 2000).

Die synaptische Aktivität kann im Verlauf von Prozessen des Lernens und Erinnerns stark ansteigen. L ong- t erm p otentiation (LTP) ist dabei eine Form synaptischer Plastizität, die das Langzeiterinnerungsvermögen initiiert und die Antwortfähigkeit der Synapse auf Signale vergrößert. Die Aktivität der Synapse kann auf verschiedenen Wegen gesteigert werden. Dies kann (i) durch erhöhte Effizienz der postsynaptischen Rezeptoren erreicht werden, z.B. mittels posttranslationaler Modifikation der Rezeptormoleküle kombiniert mit einer eher langfristigen Hochregulation der Rezeptorproteintranslation. (ii) Eine zweite Möglichkeit der synaptischen Aktivitätserhöhung wäre die erhöhte präsynaptische Freisetzung von Transmittern. Die Modulation der Proteininteraktionen auf der Ebene der synaptischen Vesikel könnte hierbei entscheidende Funktionen haben (Janz et al., 1999).

Neben SSVs ( s mall s ynaptic v esicles), die Transmitter mit niedrigem Molekulargewicht speichern , existieren Peptidneurotransmitter speichernde LDCVs ( l arge d ense c ore v esicles), die zusätzlich zu kleinen Transmittern wie Noradrenalin, Dopamin oder Serotonin immer ein Peptid oder Protein enthalten. Die Exozytose aller gespeicherten Transmitter wird in Neuronen und neuroendokrinen Zellen stark reguliert. Eine mögliche Unterscheidung zwischen LDCVs und SSVs besteht darin, dass LDCVs nach abgeschlossener Exozytose zum Golgi-Apparat zurückkehren, und nicht wie die SSVs ohne Kontakt zu intermediären Endosomen-ähnlichen Kompartimenten wiederbeladen und erneut verwendet werden können (Murthy und Stevens et al., 1998). SSVs und LDCVs liegen in vielen Neuronen in den Synapsen nebeneinander vor.


[Seite 3↓]

Neuroendokrine Zellen sind zur Synthese und Abgabe von Peptidhormonen bzw. von endokrin wirksamen Stoffen befähigt. Gemeinsames Kennzeichen dieser Zellen soll ihre Herkunft aus der Neuralleiste sein. Die Peptidhormone werden in LDCVs gespeichert. Jedoch besitzen neuroendokrine Zellen auch SSV-Analoga, die SLMVs ( s ynaptic vesicle l ike m icro v esicles). Neuronen, neuroendokrine Zellen u.a. dienen in dieser Arbeit zur Untersuchung synaptischer Prozesse.

1.2 Schlüsselproteine der Fusion zwischen sekretorischen synaptischen Vesikeln und der Plasmamembran

Die Exozytose von Neurotransmittern aus den synaptischen Vesikeln setzt die Verschmelzung der präsynaptischen Plasmamembran mit der synaptischen Vesikelmembran voraus. Diese Membranfusion ist ein streng regulierter Vorgang, der die Interaktion von Proteinen der beiden Membranen beinhaltet. Eine zentrale Rolle spielt dabei der SNARE-Komplex ( s oluble N -ethylmaleimide-sensitive factor a ttachment protein re ceptor complex), durch dessen Bildung die beiden fusionierenden Membranen aneinander geheftet werden. Dem neuronalen SNARE-Komplex ähnliche Komplexe sind für das Andocken von Vesikeln an der Zielmembran auch in vielen anderen intrazellulären Transportwegen eukaryonter Zellen verantwortlich. Er gibt wahrscheinlich für jedes Fusionsereignis einen „spezifischen“ SNARE-Komplex. Im folgenden wird unter SNARE-Komplex immer nur der für die neuronale Transmission verantwortliche verstanden.

Die einzelnen Proteine des SNARE-Komplexes (Abb. 1) können in zwei Gruppen unterteilt werden, entsprechend ihrer Lokalisation in den verschiedenen präsynaptischen Membranen. Die Proteine auf der Vesikelmembran, welche mit Synaptobrevin verwandt sind, werden auch als v-SNAREs ( v esicle membrane SNARE ) bezeichnet. Die Proteine auf der Plasmamembran, als Zielmembran während der Exozytose, welche mit Syntaxin und SNAP 25 verwandt sind, werden entsprechend als t-SNAREs ( t arget membrane SNARE ) bezeichnet. Synaptobrevin, SNAP 25 und Syntaxin fusionieren zum SNARE-Komplex. Durch die hohe Spezifität der Paarbildung wird wahrscheinlich sichergestellt, dass Transportvesikel nur an der „geeigneten“ Zielmembran andocken, was aus der SNARE-Hypothese (Rothman et al., 1994) abgeleitet werden kann.


[Seite 4↓]

Abb. 1. Schematische Darstellung der synaptischen Proteine des SNARE-Komplexes und des Synaptopyhsin-Synaptobrevin-Komplexes. Die synaptischen Vesikel in der Präsynapse fusionieren mit der Plasmamembran unter Bildung eine transmembranären Komplexes aus Synaptobrevin, Syntaxin und SNAP 25. Synaptobrevin liegt auf der synaptischen Vesikelmembran gleichzeitig gebunden an Synaptophysin vor.

1.2.1 Synaptobrevin

Das hauptsächlich in der Membran der synaptischen Vesikel lokalisierte Synaptobrevin 2 (oder VAMP 2 für v esicle- a ssociated m embrane p rotein 2 ) ist ein kleines 18 kDa Protein mit einer einzigen, die Membran durchspannenden Domäne. Es wurde zuerst im Nervensystem des Zitterrochens entdeckt (Trimble et al., 1988) und konnte in verschiedenen weiteren Spezies kloniert und sequenziert werden (Elferink et al., 1989, Südhof et al., 1989). Synaptobrevin 2 wird in allen Neuronen des Gehirns exprimiert.

Synaptobrevin nimmt mehr als 8 % des Proteinanteils in der synaptischen Vesikelmembran ein. Es liegt zu einem Großteil als Monomer und Dimer vor. Synaptobrevin ist untergliedert in vier Domänen. An einen zytoplasmatischen Prolin-reichen N-Terminus schließt sich ein hochkonservierter hydrophober Kernteil an. Dieser enthält die Bindungsdomäne für die Fusion mit dem SNARE-Komplex. Weiter schließt sich eine kleinere Transmembrandomäne an die mit dem C-Terminus endet.

Es kommen weitere Isoformen des Proteins vor, wie z.B. Synaptobrevin 1 (oder VAMP 1), welches in großer Menge im Rückenmark und weniger auch in den Hirnnervenkernen exprimiert wird, und Cellubrevin, welches in allen Zellen vorkommt und in Neuronen am Recycling von Plasmamembranrezeptoren beteiligt ist (McMahon et al., 1993).


[Seite 5↓]

1.2.2  Syntaxin

Syntaxin 1a ist hauptsächlich in der neuronalen Plasmamembran lokalisiert. Es besitzt ein Molekulargewicht von 35 kDa und setzt sich zusammen aus einer transmembranären
C-terminalen Domäne und einer zytoplasmatischen Bindungsdomäne am Carboxylterminus, welche auch als H3-Domäne bezeichnet wird. Diese ist notwendig für die Fusion mit dem SNARE-Komplex (Kee et al., 1995).

Syntaxin wurde ursprünglich als retinales Antigen HPC-1 (Barnstable et al., 1985) identifiziert. In den Membranen der Synapse konnten später die zwei Isoformen Syntaxin 1a und Syntaxin 1b kloniert und charakterisiert werden (Bennett et al., 1992, Leveque et al., 1998). Dabei fusioniert nur Syntaxin 1a in den SNARE-Komplex.

1.2.3 SNAP 25

Das 25 kDa große Plasmamembranprotein SNAP 25 ( s y n aptosomal a ttachment p rotein of
25 kDa) wird ausschliesslich in Neuronen und neuroendokrinen Zellen exprimiert. Es besitzt keine Transmembrandomäne und ist statt dessen in der Membran über eine posttranslationale Fettsäuremodifikation verankert. SNAP 25 enthält zwei Domänen zur Bindung in den SNARE-Komplex. Diese sind über eine schleifenförmige Verbindungsregion verknüpft und können zur Fusion des Proteins in den SNARE-Komplex parallel ausgerichtet werden.

Es wurden bisher die zwei Isoformen SNAP 25a und SNAP 25b identifiziert (Mollinedo und Lazo et al., 1997), welche sich in ihrer Verteilung und Regulierung während der neuronalen Ausreifung unterscheiden. SNAP 23 stellt ein weiteres SNARE-Protein in nicht neuronalem Gewebe dar (Ravichandran et al., 1996).

Sowohl SNAP 25 als auch Syntaxin 1a kommen entlang der gesamten axonalen Membran zum Teil in clustern vor (Galli et al., 1995, Garcia et al., 1995) und sind auch auf der synaptischen Vesikelmembran vorhanden (Walch-Solimena et al., 1995, Otto et al., 1997).

1.2.4 Der SNARE-Komplex

Der SNARE-Komplex ist essentiell für die Exozytose. Spezifisches Ausschalten der einzelnen SNARE-Partner mit den clostridialen Neurotoxinen Tetanustoxin und Botulinumtoxin führt zur vollständigen Blockade der synaptischen Transmission. Dabei wirken die leichten Ketten der Toxine als hochspezialisierte Zink-Proteasen und spalten die jeweiligen SNARE-Proteine an definierten Stellen (Niemann et al., 1994, Ahnert und Bigalke et al., 1995).

Der SNARE-Komplex wird aufgebaut aus vier miteinander verdrillten alpha-Helices, wobei je eine Helix von Synaptobrevin und Syntaxin und die anderen zwei Helices von SNAP 25 stammen. Im Komplex sind die Proteine so angeordnet, dass die C-Termini und die
[Seite 6↓]N-Termini nach einer Seite ausgerichtet sind. (Hanson et al., 1997, Lin und Scheller et al., 2000). Synaptobrevin und Syntaxin stecken mit ihrem C-Terminus in der jeweiligen Membran, wodurch ein Membranen-überspannender trans-Komplex entsteht, der das Vesikel der Plasmamembran annähert (Jahn und Südhof et al., 1999, Lin und Scheller et al., 2000).

Die drei SNARE-Proteine können sich spontan zu einem Komplex formieren. Jedes der Proteine kann jedoch auch einzeln an einen der beiden anderen Partner binden, wodurch binäre Komplexe entstehen. Dabei bindet SNAP 25 mit sehr hoher Affinität an Syntaxin (Pevsner et al., 1994, Fasshauer et al., 1997), wohingegen die Bindungsstärke zwischen Syntaxin und Synaptobrevin am geringsten ist. Die H3-Domäne von Syntaxin ist dabei allein ausreichend, um Synaptobrevin zu binden (Calakos et al., 1994, Kee et al., 1995).

Der SNARE-Komplex wird im Verlauf ATP-abhängiger Hydrolyse durch NSF
( N -ethylmaleimide- s ensitive f usion protein) wieder aufgelöst. NSF, eine zytosolische ATPase, interagiert dabei mit einer Gruppe weiterer Regulationsproteine im Zytosol, den SNAPs ( s oluble N SF a ttachment p roteins). Interessanterweise wurden NSF und die SNAPs zuerst entdeckt, als Voraussetzung für die Bildung des exozytotischen Fusionskomplexes, sodass resultierend die erst später identifizierten Proteinen der Synaptobrevin/Syntaxin/SNAP25-Familien generell als SNARE-Proteine ( SNA p RE ceptor proteins) bezeichnet wurden.

Bei der Endozytose der synaptischen Vesikel an der Plasmamembran gelangen einzelne SNARE-Komplexe auch auf die Vesikelmembran (Walch-Solimena et al., 1995; Otto et al., 1997). Sie liegen hier teilweise, wie auch auf der Plasmamembran, in cis-Konfiguration vor (Hinz et al., 2001). Die cis-SNARE-Komplexe sind, im Gegensatz zu den trans-SNARE- Komplexen, vermutlich eine Sackgasse der Fusion, zumindest in schnellen Synapsen mit erhöhtem Endozytose-Exozytose-Durchsatz. Die vesikulären SNARE-Komplexe kommen auf den einzelnen Vesikeln vor und stellen keine Brückenbildung zwischen zusammengelagerten Vesikeln dar (Jahn et al., 1997).

1.3 Mögliche Modulation der Exozytose

Die Interaktion der SNARE-Proteine innerhalb der Präsynapse muss kontrolliert und reguliert werden, um notwendige Feinabstimmungen auf veränderte Anforderungen an die synaptische Aktivität durchführen zu können. Eine entscheidende Funktion könnte hierbei ein anderer Proteinkomplex, der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex in der synaptischen Vesikelmembran, übernehmen. Im folgenden soll daher näher auf die beiden Proteine dieses Komplexes und seine möglichen Funktionen in der Präsynapse eingegangen werden.

Synaptobrevin kommt im Gegensatz zu seinen SNARE-Partnern mit einem überwiegenden Anteil in der synaptischen Vesikelmembran vor und geht hier eine weitere Bindung mit [Seite 7↓]Synaptophysin ein. Synaptophysin reguliert möglicherweise durch die Interaktion im Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex die Verfügbarkeit von Synaptobrevin für die Bindung in den SNARE-Komplex während des Andockens der synaptischen Vesikel an der Plasmamembran. Synaptobrevin ist also Bindungspartner in zwei verschiedenen Proteinkomplexen. An Synaptophysin gebundenes Synaptobrevin bindet dabei nicht mehr an Syntaxin und SNAP 25 (Sugita et al., 1999, Martin et al., 2000) und umgekehrt kann Synaptobrevin als Teil des SNARE-Komplexes nicht mit Synaptophysin interagieren (Edelmann et al., 1995), wodurch gezeigt wird, dass sich der SNARE-Komplex und der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex gegenseitig ausschließen.

1.3.1 Synaptophysin 1

Synaptophysin ist ein charakteristisches Membranprotein synaptischer Vesikel. Es wird in enormer Quantität exprimiert (Jahn und Südhof et al., 1989, Leube et al., 1997), doch seine Bedeutung war lange Zeit unklar. Synaptophysin Knock-out-Mäuse sind gesund und zeigen keinen spezifischen Phänotyp (Eshkind und Leube et al., 1995, McMahon et al., 1996), wodurch demonstriert wurde, dass Synaptophysin selbst nicht essentiell ist. Es ist auch möglich, dass die Aufgaben von Synaptophysin durch Synaptophysin-Isoformen wie SCAMPs ( s ecretory c arrier- a ssociated m embrane p roteins), Synaptoporin oder Synaptogyrin übernommen werden. In Sehstäbchen, als Neuronen ohne detektierbaren Anteil an Synaptoporin, konnte in Synaptophysin-defizienten Mäusen eine aktivitätsabhängige Veränderung der Anzahl synaptischer Vesikel und ihrer Morphologie nachgewiesen werden (Spiwoks-Becker et al., 2001). Elektrophysiologische Untersuchungen von Synaptophysin/ Synaptogyrin Doppel-knock-out-Mäusen zeigten eine starke Reduktion von short-term und long-term Plastizität, womit eine Funktion von Synaptophysin bei plastischen Veränderungen im adulten Gehirn aufgezeigt wurde (Janz et al., 1999). Synaptophysin könnte also in sich entwickelnden und reifen Synapsen innerhalb eines neuronalen Netzwerkes, als essentielles Protein für die Funktion synaptischer Vesikel, eine individuelle Anpassung an erhöhte oder verminderte Transmitterfreisetzung ermöglichen.

Das Molekulargewicht von Synaptophysin beträgt 38 kDa in Neuronen, variiert jedoch in neuroendokrinen Zellen in Abhängigkeit vom Grad der N-Glykosylierung des Moleküls (Leube et al., 1987). Das Protein besitzt vier Transmembrandomänen. Die terminalen Amino- und Carboxylgruppen sind beide zur zytoplasmalen Seite der Vesikel gerichtet, wodurch die zwei Schleifen des Proteins zur luminalen Seite der Vesikel zeigen. Jede dieser Schleifen wird durch Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten stabilisiert. Der Aminoterminus ist sehr kurz im Vergleich zu dem Carboxylterminus, welcher zehn Kopien einer glyzerinreichen [Seite 8↓]Pentapeptidwiederholung trägt, die ähnlich der des Rhodopsins ist (Ovchinikov et al., 1988). Die meisten antigenen Anteile von Synaptophysin sitzen an diesem Carboxylterminus.

Synaptophysin kommt auf synaptischen Vesikeln in Form von homooligomeren Komplexen vor, welche durch nichtkovalente Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten gebildet werden (Thomas et al., 1988). Durch chemische Quervernetzung in intakten Zellen konnten Komplexe aus bis zu vier Untereinheiten gefunden werden (Johnston et al., 1990).

Synaptophysin assoziiert direkt mit Synaptobrevin und indirekt mit anderen Vesikelproteinen wie z.B. Synaptotagmin 1. Für Synaptophysin und Synaptotagmin 1 in Neuronen und neuroendokrinen Zellen konnten zusätzlich cholesterolassoziierte Regionen nachgewiesen werden, womit Synaptophysin als ein spezifisch cholesterolbindendes Protein in der synaptischen Vesikelmembran charakterisiert wurde (Thiele et al., 2000). Auf die möglichen Funktionen dieser Cholesterolbindung soll in Kapitel 1.4.2.2 näher eingegangen werden.

1.3.2 Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex

Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex ist ein Charakteristikum synaptischer Vesikel in Synapsen ausgereifter Neuronen. Er ist noch nicht nachweisbar in embryonalem Gehirn oder in Synaptophysin-exprimierenden PC12-Zellen, obgleich die einzelnen Proteine Synaptophysin und Synaptobrevin in den Membranen neuronaler SSVs und SSV-Analoga in PC12-Zellen vorhanden sind, und er kann erst nach zwei Wochen Kultivierung in Hippokampuskulturen detektiert werden (Becher et al., 1999).

Möglicherweise sind posttranslationale Modifikationen in reifen Neuronen für die Bindungsfähigkeit von Synaptophysin an Synaptobrevin verantwortlich. Die Art dieser Modifikationen ist noch nicht eindeutig bestimmt. Es konnten jedoch bisher verschiedene Möglichkeiten ausgeschlossen werden. So ist die veränderte Interaktion nicht auf Beeinflussung der Disulfidbrücken oder Glykosylierungsvariabilitäten des Synaptophysins noch auf verschiedene Modifikationen des Synaptobrevins zurückzuführen (Veit et al., 2000). Ein noch nicht genau analysierter niedermolekularer Faktor des synaptosomalen Zytosols kann die Bildung des Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplexes induzieren, wobei „nicht-bindendes“ Synaptophysin in „bindendes“ Synaptophysin umgewandelt wird (Becher et al., 1999). Die Interaktion der beiden Proteine ist also abhängig von der Konformation des Synaptophysins. Alle Proteindomänen des Synaptobrevinmoleküls sind dabei für die Bindung an Synaptophysin notwendig.


[Seite 9↓]

Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex ist nicht essentiell für die Exozytose (Eshkind und Leube et al., 1995, McMahon et al., 1996). Er spielt jedoch eine entscheidende Rolle bei plastischen Umbauvorgängen im adulten Gehirn und steigert wahrscheinlich die Effizienz von Synapsen während der Entwicklung und bei erhöhten Anforderungen unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen.

Die Bindung zwischen Synaptophysin und Synaptobrevin ist wahrscheinlich so gestaltet, dass Synaptobrevin bei Bedarf schnell bereitgestellt werden kann zur Bildung eines trans-SNARE-Komplexes mit den Plasmamembran-ständigen Proteinen SNAP 25 und Syntaxin. Wahrscheinlich verhindert Synaptophysin durch Bindung von freiem extrem reaktivem Synaptobrevin auch dessen mögliche Interaktion mit vesikelassoziierten SNARE-Proteinen und verhindert damit die Bildung zu vieler nicht funktioneller cis-SNARE-Komplexe auf der Vesikelmembran.

Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex stellt einen Reservepool an Synaptobrevin bereit, um eine erhöhte Fusionsrate der synaptischen Vesikel mit der Plasmamembran zu ermöglichen. Die Bildung des Komplexes konnte im Epilepsiemodell durch wiederholte Stimulierung zu synaptischer Hyperaktivität gesteigert werden (Hinz et al., 2001).

1.4 Interaktionen zwischen Proteinen und Lipiden in der Membran

Die betrachteten präsynaptischen Proteine sind integrale Membranproteine und liegen damit eingebettet in die Lipiddoppelschicht der Zellmembranen vor. Für das Verständnis der Interaktionen der synaptischen Proteine im SNARE-Komplex und Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex ist es daher wichtig, ihre Wechselwirkungen mit Membranlipiden und ihre Einlagerung in die spezielle Substruktur der Plasmamembran und der synaptischen Vesikelmembran zu kennen.

1.4.1 Aufbau von zellulären Membranen

Der allgemeine Aufbau der neuronalen Membranen entspricht dem Grundprinzip zellulärer Membranen eukaryonter Zellen. Zellmembranen sind dynamische Gebilde, die aus Lipiden und Proteinen zusammengesetzt sind. Dabei ist der spezielle Membranaufbau der einzelnen subzellulären Kompartimente variabel. In den Membranen der Zelle finden ständige Umbauprozesse statt, die aus dem Abschnüren von Membranvesikeln und dem Verschmelzen mit Vesikelmembranen resultieren, wie es z.B. bei der Endozytose und der Exozytose geschieht. Hierfür findet ein ständiges Sortieren und Neuorganisieren der Protein- und Lipidkomponenten innerhalb und zwischen den verschiedenen Membrandomänen statt. Während der Abschnürung von Zellorganellen und Vesikeln von der Plasmamembran [Seite 10↓]entstehen dabei Membranbereiche, die sich sehr stark in ihrem Lipid-Protein-Verhältnis von der Plasmamembran unterschieden.

Innerhalb der Membrandoppelschicht werden zwei Formen molekularer Interaktionen zwischen Proteinen und Lipiden beobachtet. (i) Horizontale Interaktionen treten innerhalb der jeweiligen Membranebene zwischen den einzelnen Bestandteilen auf. Dabei interagieren spezifische Membranlipide wie Cholesterol und Sphingolipide mit assoziierten integralen Membranproteinen. (ii) Vertikale Interaktionen treten dagegen zwischen bestimmten Membranbestandteilen und der extrazellulären Matrix bzw. dem subplasmalemmalen Zytoskelett auf. Horizontale und vertikale Interaktionen sind eine Grundlage der Organisation der Membran in Domänen und Subdomänen.

Zwei verschiedene Mechanismen scheinen für das Sortieren von Membranbestandteilen wichtig zu sein (Thiele et al., 2000). Zum einen basiert der Sortierungsprozess auf dem Zusammenspiel zwischen zytosolischen Proteinen und den in der Lipiddoppelschicht verankerten transmembranären Proteinen. Zum anderen wird er reguliert durch Lipid-Lipid-Interaktionen und Lipid-Protein-Interaktionen innerhalb und zwischen verschiedenen Membransubdomänen.

1.4.2 Neuronale Membranen und Cholesterol

Es ist für diese Arbeit wichtig, den Aufbau der neuronalen Plasmamembran im Vergleich zur synaptischen Vesikelmembran zu betrachten, wobei einige entscheidende Unterschiede zu erkennen sind.

Die synaptischen Vesikel zählen mit einem Durchmesser von 35 ±3 nm (Martin et al., 2000) zu den kleinsten Zellorganellen, wodurch die synaptische Vesikelmembran einen deutlich erhöhten Krümmungsgrad im Vergleich zur Plasmamembran aufweist. Bei gleichem Membrananteil an Sphingomyelin enthält die Membran der synaptischen Vesikel weniger Glykolipide. Besonders auffällig ist jedoch, dass die synaptische Vesikelmembran wesentlich stärker mit Cholesterol angereichert ist als die Plasmamembran (Martin et al., 2000). Die Ursache für die unterschiedliche Lipidverteilung zwischen den Membranen ist unbekannt. Es wäre aber unwahrscheinlich, dass der hohe Cholesterolgehalt allein aus einer großen Anzahl an cholesterolbindenden Proteinen resultiert, da diese dann mehrere hundert Cholesterolmoleküle binden müssten. Daher wird vermutet, dass synaptische Vesikel während der Endozytose aus besonders cholesterolreichen und glykolipidarmen Domänen der Plasmamembran hervorgehen. In der cholesterolreichen Membran der synaptischen Vesikel sitzen wahrscheinlich nicht mehr als 15-20 verschiedene Proteine, während die Plasmamembran ein Mehrfaches an Proteinen enthält.


[Seite 11↓]

1.4.2.1  Cholesterol

Cholesterol ist also ein essentieller Bestandteil dieser Membranen und liegt als sehr hydrophobes Molekül innerhalb der Lipiddoppelschicht. Cholesterol ist dabei nicht gleichmäßig in der Membran vorhanden, sondern verteilt sich auf ein Mosaik aus nebeneinander vorliegenden cholesterolreichen und cholesterolarmen Domänen (Liscum und Munn et al., 1999).

Zelluläres Cholesterol wird durch (i) de novo Synthese im Endoplasmatischen Retikulum gebildet oder (ii) wird aus dem Extrazellularraum in die Zelle über Endozytose von LDL oder über selektive Aufnahme von freiem oder verestertem Cholesterol aus Lipoproteinen aufgenommen. Der Cholesterolgehalt der Membranen steigt innerhalb der Zelle im sekretorischen Weg vom Endoplasmatischen Retikulum zur Plasmamembran kontinuierlich an.

Cholesterol dient hauptsächlich der Aufrechterhaltung der Membranfluidität, stabilisiert jedoch gleichzeitig die Membransubstruktur (Ahmed et al., 1997, Brown et al., 1998). (i) Der Fluidisierungseffekt beruht dabei auf der Veränderung der Membrandynamik. Als spacer stören die Cholesterolmoleküle Interaktionen zwischen den Kopfgruppen der Fettsäuren und erhöhen somit die Rotationsmöglichkeiten der Acylketten und deren laterale Mobilität. Bei hoher Cholesterolkonzentration bleibt dadurch die Lipiddoppelschicht über eine große Temperaturspanne in einem flüssigen Zustand. (ii) Der Struktureffekt der Cholesterolmoleküle basiert auf spezifischen molekularen Interaktionen mit anderen membranären Lipidmolekülen. Cholesterol erhöht hierbei die Ordnung der Membran, orientierend an den Acylketten der Lipiddoppelschicht.

1.4.2.2 Interaktionen zwischen Cholesterol und Membranproteinen

Cholesterol interagiert sehr spezifisch mit einzelnen integralen Membranproteinen und bestimmt dadurch deren Funktionen und Interaktionen. Die Kompartimentierung der Membran in cholesterolreiche und cholesterolarme Subdomänen, welche unterschiedlich stark mit Proteinen angereichert sind, trägt dabei entscheidend zur Regulation von Proteininteraktionen während verschiedener Zellprozesse bei. Es wurden bereits verschiedene cholesterolassoziierte Proteine in der neuronalen Plasmamembran identifiziert, deren membranäre Anordnung und Funktionen teilweise entscheidend durch ihre Cholesterolbindung gesteuert werden. Dazu zählen u.a. Caveolin und Prominin.

(a) Caveolin ist ein integrales Membranprotein das Cholesterol bindet und dadurch eine entscheidende strukturelle Aufgabe bei der Zusammenlagerung und Stabilisierung spezifischer cholesterolreicher Mikrodomänen in der Plasmamembran, den Caveolae, besitzt [Seite 12↓](Simons und Ikonen et al., 1997). Caveolin bindet weiterhin verschiedene Signalrezeptoren und Second-messenger-Proteine und könnte spezifisch die Signaltransduktion beeinflussen, zumindest zu einem Teil durch Regulation der verfügbaren Menge an Cholesterol für die Bildung cholesterolreicher Caveolae, und zu einem weiteren Teil indirekt durch Regulation des Cholesteroltransportes vom Endoplasmatischen Retikulum zur Plasmamembran (Okamoto et al., 1998, Roy et al., 1999, Incardona et al., 2000). Die cholesterolreichen Transportvesikel mit Caveolin in MDCK-Zellen (Madin-Darbycanine kidney cells) entsprechen dabei den synaptischen Vesikeln in Neuronen (Thiele et al., 2000). (b) In neuroepithelialen Zellen wird Prominin im Golgi-Apparat in cholesterolangereicherte Membranmikrodomänen sortiert, um dadurch reguliert zur apikalen Plasmamembran transportiert zu werden, wo es selektiv mit Mikrovilli assoziiert ist (Röper et al., 2000).

Auch einzelne synaptischen Vesikelproteine stehen in enger Beziehung zu dem Cholesterol in der Membran. (c) Für das SNARE-Protein Syntaxin konnte eine direkte Assoziation mit Cholesterol innerhalb der Plasmamembran nachgewiesen werden. Syntaxin liegt zu einem großen Anteil mit SNAP 25 angereichert in spezifischen cholesterolabhängigen Domänen vor, welche Bereiche bilden, an denen synaptische Vesikel bevorzugt andocken und mit der Plasmamembran während der Exozytose fusionieren (Lang et al., 2001). (d) Auch trägt die Cholesterolbindung des synaptischen Vesikelproteins Synaptophysin zu dessen Funktionen innerhalb der Membran entscheidend bei. Es wird vermutet, dass Synaptophysin eine strukturierende Aufgabe bei der Stabilisierung synaptischer Vesikel besitzt. In vergleichbarer Weise funktioniert Peripherin, ein dem Synaptophysin strukturell ähnliches Protein, bei der Aufrechterhaltung stark gekrümmter Regionen in Photorezeptoren (Connell und Molday et al., 1990, Arikawa et al., 1992). Der starke Krümmungsgrad der Vesikelmembran setzt die asymmetrische spezifische Einlagerung von Proteinen und Phospholipiden voraus. So kann Synaptophysin nicht in einer inside-out Orientierung in Liposomen eingelagert werden, wobei die terminalen Gruppen zur Lumeninnenseite der Vesikel ausgerichtet wären, anstatt zur zytoplasmalen Seite (Jahn und Südhof et al., 1994).

Synaptophysin scheint weiterhin eine wichtige Rolle bei der Vesikelentstehung während der Endozytose zu besitzen. Wenn neuroendokrine Zellen Synaptophysin exprimieren, wird das Protein in einen neuartigen Vesikeltyp integriert (Leube et al., 1989). Als cholesterolbindendes Protein ist Synaptophysin wahrscheinlich direkt beteiligt an der Organisation von Membransubdomänen innerhalb der Vesikelmembran, die in Abhängigkeit vom Membranvolumen der synaptischen Vesikelmembran als Nanodomänen bezeichnet [Seite 13↓]werden können. Es könnte dadurch entscheidend zur Beschleunigung der Regenerierung synaptischer Vesikel an der Plasmamembran beitragen (Martin et al., 2000).

1.4.3 Lipid Rafts als Strukturelement zellulärer Membranen

Die Lipidstrukturierung der Membranen in Domänen und Subdomänen, welche ganz spezifisch mit verschiedenen Membranproteinen assoziiert sind, besitzt einen entscheidenden regulierenden Effekt auf die einzelnen Membranprozesse und Proteininteraktionen. Zu den spezialisierten cholesterolreichen Subdomänen zählen Lipid Rafts, die möglicherweise auch die Membran synaptischer Vesikel strukturieren und daher hier genauer betrachtet werden sollen (Ge et al., 1999, Huttner et al., 2000).

Der Gehalt an Lipid Rafts in den verschiedenen Membranen ist variabel und vom Reifegrad der Zellen abhängig. Die Membranen junger Hippokampuskulturen enthalten nur wenige Lipid Rafts, jedoch nimmt der Gehalt an Rafts mit verlängerter Kultivierungsdauer deutlich zu (Brown und London et al., 1998) und korreliert vermutlich direkt mit dem zunehmenden Gehalt der hippokampalen Membranen an Cholesterol und Sphingolipiden (Brown und Rose et al., 1992). Lipid Rafts wurden bisher nur auf der extrazellulären Seite der Membrandoppelschicht eindeutig nachgewiesen, kommen aber wahrscheinlich auch auf der intrazellulären Seite vor. Wie sie innerhalb und zwischen den verschiedenen Membranebenen miteinander kommunizieren, ist noch ungeklärt. Ähnliche Raftstrukturen entstehen vermutlich auch in der synaptischen Vesikelmembran, wenn sich die synaptischen Vesikel von der Plasmamembran abschnüren.

In den verschiedenen Rafts findet eine selektive Rekrutierung spezifischer Proteine bei gleichzeitigem räumlichen Ausschluss anderer Proteine statt. Sie sind daher ideal geeignet zur Regulation der spezifischen Proteinverteilung beim Fusionieren der synaptischer Vesikel mit der Plasmamembran während der Exozytose und besonders zur Verteilung der verschiedenen Plasmamembranproteine und Vesikelmembranproteine beim Abschnüren der synaptischen Vesikel während der Endozytose.

Vermutlich gibt es multiple, voneinander verschiedene Raft-ähnliche Zusammenlagerungen von Lipiden und Proteinen, welche nebeneinander innerhalb einer biologischen Membran existieren und durch Extraktion mit verschiedenen Detergenzien aus der Membran als DICs (detergent insoluble complexes) isoliert und unterschieden werden können (Röper et al., 2000). Bei der Behandlung von Membranen mit milden Detergenzien wie z.B. Triton X-100 ist dabei der größte Anteil der Phospholipide extrahierbar, der größte Anteil der Sphingolipide und des Cholesterols jedoch nicht (Brown und London et al., 1998).


[Seite 14↓]

Durch die Extraktion der präsynaptischen Membranen kann besonders auch das Verhalten der einzelnen Proteine des Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplexes und des SNARE-Komplexes sowie deren Anordnung innerhalb von Membransubdomänen untersucht werden. Ein Nachteil der Detergensbehandlung besteht jedoch darin, dass Detergenzien hydrophobe Lipid-Protein-Interaktionen zerstören können. Ist ein Protein, wie z.B. Synaptophysin, in Triton X-100 unlöslich, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass es mit dem Cholesterol u./o. den Sphingolipiden des Lipid Rafts interagiert. Ist ein Protein jedoch komplett löslich in Triton X-100, kann die Möglichkeit nicht ausgeschlossen werden, dass das Protein auch mit anderen Membrandomänen horizontal interagiert (Huttner et al., 2000, Röper et al., 2000).

1.4.4 Veränderungen im neuronalen Cholesterolmetabolismus – das Niemann-Pick Modell

Die Cholesterolverteilung innerhalb der verschiedenen Zellen kann resultierend zu pathophysiologischen Veränderungen des gesamten Organismus führen. Es sind bisher verschiedene pathologische Phänotypen mit einem abnormen zellulären Cholesterolmetabolismus bekannt. Durch verminderte cholesterolabhängige Signaltransduktion im Hedghog-Signalweg, welcher an der Differenzierung von neuronalen Geweben während der Entwicklung beteiligt ist, entsteht u.a. eine Holoprosenzephalie (Incardona et al., 2000). Bei Alzheimerpatienten wurden reduzierte Cholesterolmengen in den Zellen beobachtet (Montine et al., 1997). Die Niemann-Pick Krankheit zeigt eine Störung in der neuronalen Cholesterolspeicherung. Als Modell in dieser Arbeit verwendet, sollen die Ursachen und Auswirkungen dieser Krankheit nachfolgend näher beschrieben werden.

Das Niemann-Pick C1 Protein ist in der relativ cholesterolarmen Membran zytoplasmatischer Vesikel nachweisbar, nicht aber auf der Plasmamembran von Nervenzellen (Carstea et al., 1997, Loftus et al., 1997). Das Protein ist aus 13 transmembranären Segmenten aufgebaut und enthält eine SSD (sterol-sensing domain). Diese Domäne ist notwendig für die Regulation der Cholesterolhomöostase in der Zelle (Incardona and Eaton et al., 2000) und wurde bisher auf verschiedenen Proteinen gefunden, die teilweise an der Regulation des Cholesterolmetabolismus beteiligt sind. NPC1 transportiert Cholesterol von späten Endosomen zum Golgi-Apparat, wodurch eine Verteilung dieses Cholesterols auch in weitere Zellkompartimente möglich ist. Im Gegensatz zu Lysosomen stellen späte Endosomen damit noch keinen Endpunkt eines zellulären Abbauweges dar (Neufeld et al., 1999).

Die Niemann-Pick Typ C1 Krankheit ist eine autosomal rezessiv vererbbare Störung, die durch eine Mutation des NPC1-Gens verursacht wird. Durch die Inaktivierung von NPC1 kommt es zu einer intrazellulären Akkumulation von Sphingolipiden und freiem Cholesterol, [Seite 15↓]welche durch Endozytose von LDL in die Zelle aufgenommen werden. Der Großteil des Cholesterols akkumuliert in den internen Membranschichten multivesikulärer später Endosomen (Mukherjee und Maxfield et al., 1999), weniger in den Lysosomen. Durch die Mutation wird eine generalisierte Veränderung des endozytotischen Membrantransportes verursacht. So ist der Proteintransport in NPC1-Mutanten durch das Kompartiment der späten Endosomen unterbrochen, was bereits für den Mannose-6-phosphat-Rezeptor nachgewiesen wurde (Kobayashi et al., 1999).

Die Beeinflussung des Membrantransportes ist wahrscheinlich eine Konsequenz der spezifischen Veränderung des intrazellulären Cholesteroltransportes, da durch die Akkumulation von Cholesterol in den späten Endosomen in NPC1-mutierten Zellen eine generelle Veränderung der Membranelastizität verursacht wird, wodurch das Ausknospen und Abschnüren von vesikulären Strukturen in der Zelle erschwert wird (Mukherjee und Maxfield et al., 1999). Eine solche Verminderung des Cholesterolgehaltes könnte auch die Funktion synaptischer Vesikel beeinflussen.

1.5 Fragestellungen

Folgende Fragen sollen im Rahmen dieser Dissertation bearbeitet werden:

1.

Wie verändert sich die Extrahierbarkeit durch verschiedene Detergenzien von Synaptophysin als cholesterolbindendem Membranprotein nach Cholesterolverminderung zellulärer Membranen?

2.

Zeigt die Interaktion im Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex auf synaptischen Vesikeln und das Verhalten der integralen Membranproteine eine Abhängigkeit vom Cholesterolgehalt der Vesikelmembran?


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
DiML DTD Version 4.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
02.06.2005