Mohrhagen, Kai : Räumliche Verteilung von Kalziumsignalen in Bergmanngliazellen als Antwort auf neuronale Aktivität

6

Kapitel 1. Einleitung

1.1 Gliazellen sind eine wichtige Zellgruppe im zentralen Nervensystem

Gliazellen sind die Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS), die keine Neuronen sind. Entdeckt wurde diese Zellgruppe 1846 von dem Berliner Pathologen Rudolf Virchow, der auch den Begriff Gliazelle (von griechisch gammalambdaiotaalpha~ Leim) prägte ( Virchow, R., 1856 ). Im zentralen Nervensystem des Menschen gibt es etwa 10mal mehr Gliazellen als Neurone. Dabei beanspruchen Gliazellen ca. 50% des Volumens des menschlichen ZNS. Trotzdem sind Gliazellen erst in jüngster Zeit Gegenstand intensiverer Forschung geworden. Dies lag vor allem an der historischen Auffassung, daß Gliazellen nicht an der Signalübertragung beteiligt sind und Hilfsfunktionen für die Neurone übernehmen ( Golgi, C., 1885 ; His,1889; Lugaro,1907, Ramon y Cajal, 1907). Neuere Veröffentlichungen haben gezeigt, daß Gliazellen nicht nur über ein reichhaltiges Repertoire von Rezeptoren verfügen ( Bevan, S., 1990 ; Barres, B. A., 1991 Verkhratsky, A. und Kettenmann, H., 1996 ), sondern auch neuronale Aktivität detektieren( Kriegler, S. und Chiu, S. Y., 1993 ; Clark, B. A. und Barbour, B., 1997 ).

1.2 Klassifizierung von Gliazellen

Um die Gliazellen von den Neuronen abzugrenzen, nutzt man insbesondere, daß sie einerseits ihre Poliferationsfähigkeit im adulten Tier beibehalten und daß sie andererseits weder Aktionspotentiale generieren ( Krnjevic, K. und Schwartz, S., 1967 ) noch synaptische Strukturen ausbilden. Man unterscheidet drei Gruppen von Gliazellen: Astroglia, Oligodendroglia und Mikroglia.

1.2.1 Astroglia

Astrogliazellen sind durch die Expression des intermediären Filamentproteins GFAP (glial filament acidic protein) definiert (Übersicht: Shao, Y. und McCarthy, K. D., 1994 ; Privat, et al., 1995 ). Ontogenetisch stammen Astrogliazellen vom Neuroektoderm ab. Charakteristisch für Astrogliazellen sind die intensive Kopplung durch Gap Junctions ( Kettenmann, et al., 1983 ; Übersicht: Dermietzel, R. und Spray, D. C., 1993 ), die sowohl Astrogliazellen untereinander als auch Astrogliazellen mit Oligodendrogliazellen ( Kettenmann, H. und Ransom, B. R., 1988 ) verbinden. Sie


7

bilden weitverzweigte Ausläufer, die einerseits an Blutgefäße grenzen und andererseits neuronale Strukturen berühren. Die funktionelle Bedeutung dieser Morphologie liegt in der Fähigkeit, die Eigenschaften der Bluthirnschranke an die Aktivität der angrenzenden Neurone anzupassen ( Risau, W. und Wolburg, H., 1990 ). Darüber hinaus erhalten sie die neuronale Erregbarkeit, indem sie das Kalium, das sich durch neuronale Aktivität im Extrazellulärraum sammelt, puffern („spatial buffering“, Orkand, R. et al., 1966 ; Walz, W., 1987 ). Sie schützen Neurone unter anderem dadurch, daß sie den Neurotransmitter Glutamat aufnehmen, der in hohen Konzentrationen neurotoxisch wirkt ( Schousboe, et al., 1997 ). Der Transmitter wird in der Astrogliazelle zu Glutamin verstoffwechselt, das von Neuronen wieder zu Glutamat recycelt wird ( Schousboe, et al., 1977 ).

1.2.2 Oligodendroglia

Oligodendrozyten myelinisieren die Fasern im zentralen Nervensystem und sind somit in ihrer Funktion vergleichbar den Schwannzellen des peripheren Nervensystems (Übersicht: Hildebrand, et al., 1994 ; Hildebrand, et al., 1993 ). Wie Astrogliazellen sind sie neuroektodermalen Ursprungs ( Levison, S. W. und Goldman, J. E., 1993 ; Cameron, Curry P. und Le, Douarin NM., 1995 ). Außerdem existieren nicht myelinisierende Oligodendrozyten, deren Funktion derzeit noch unbekannt ist. Die immunhistochemische Charakterisierung stellt sich nicht so eindeutig dar, wie bei den Astrozyten, da man keinen Marker kennt, der durchgängig alle Entwicklungsstadien färbt. Frühe Stadien exprimieren das Antigen A2B5 ( Eisenbarth, G. et al., 1979 ), spätere Stadien der zeitlichen Reihenfolge nach die Antigene O4, O1 ( Sommer, I. und Schachner, M., 1981 ), O10 ( Kuhlmann, Krieg et al., 1988 ; Jung, et al., 1996 ). Gleichzeitig mit O10 werden die typischen Myelinproteine wie z.B. myelin basic protein (MBP; Hildebrand, et al., 1993 ) exprimiert. Im Falle einer Rückenmarksläsion können Myelinproteine (NI 35/250) eine entscheidende Rolle bei der Unterdrückung der Regeneration spielen ( Schwab, M. et al., 1993 ; Schwab, M. E. und Bandtlow, C. E., 1994 ; Schwab, M. et al., 1993 ).

1.2.3 Mikroglia

Mikrogliazellen sind die immunkompetenten Zellen des zentralen Nervensystems ( Kreutzberg, G. W., 1966 ). Wie Monozyten sind sie vermutlich mesodermalen Ursprungs ( Rio-Hortega P del., 1921 ). Sie wandern erst in einer späten Phase der


8

Entwicklung des Gehirns über den Corpus callosum ein ( Leong, S. K. und Ling, E. A., 1992 ). Charakteristisch ist die Bindung des Lektins IB4 ( Streit, W. J. und Kreutzberg, G. W., 1987 ). Allerdings binden alle Marker für Mikroglia ebenso an Epithelzellen und Monozyten. Eine Unterscheidung mit einer Färbung von Mikrogliazellen und Monozyten, die in einer pathologischen Situation in Verbindung mit einer Verletzung der Bluthirnschranke einwandern, wird dadurch unmöglich gemacht. Nach Streit ( Streit, W. et al., 1988 ) kann man die Mikrogliazelle in verschiedenen Stadien beobachten. Während der Einwanderung in das Gehirn spricht man von der amöboiden Form. Im gesunden Gehirn dagegen stellen sich die Zellen stark verzweigt (ramifiziert) dar ( Streit, W. et al., 1988 ). Man bezeichnet diese Form als „resting microglia“, da man davon ausgeht, daß die Zellen im wesentlichen auf ihre Aktivierung durch einen pathologischen Stimulus warten. Tritt ein solcher Stimulus auf, so geht die Zelle erst in den aktivierten (sich amöboid fortbewegenden) Zustand und später in einen phagozytotischen Zustand über ( Streit, W. et al., 1988 ).

1.3 Das Kleinhirn

1.3.1 Funktion

Das Kleinhirn (Cerebellum) variiert in den verschiedenen Wirbeltierklassen sehr deutlich. Während es bei vielen Amphibien und Reptilien kaum ausgeprägt ist, fällt das Kleinhirn von Säugetieren durch seine Ausdehnung und durch seine ausgeprägte Faltung auf (Übersicht: Altman, J. und Bayer, S. A., 1997 ). Im Allgemeinen werden ihm Funktionen in der sensomotorischen Koordination, bei der Steuerung des Muskeltonus und für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zugesprochen ( Duus, P., 1995 ).

1.3.2 Der cerebellare Cortex

Der cerebellare Cortex besteht aus einer vielfach gefalteten Dreifachschichtung. Von außen nach innen sind dies die Molekularschicht, die Purkinjezellschicht und die Körnerzellschicht. Zentrales Element dieser Struktur sind die Purkinjezellen, deren Dendritenbäume innerhalb der Molekularschicht aufgespannt sind. Der Dendritenbaum einer Purkinjezelle liegt in einer Ebene, wobei die Dendritenbäume benachbarter Purkinjezellen nahezu parallele Ebenen aufspannen. Die Purkinjezellen projizieren mit ihrem inhibitorischen Neurotransmitter GABA in die Kleinhirnkerne ( Duus, P., 1995 ). Ihre Eingänge erhalten sie unter anderem durch die Parallelfasern,


9

die ihren Name durch ihren Verlauf in der Molekularschicht erhalten. Sie werden durch die Axone der Körnerzellen gebildet. Eine Körnerzelle entsendet ihr Axon auf direktem Wege in die Molekularschicht, wo es sich zweiteilt. Die Äste verlaufen parallel zur Purkinjezellschicht, senkrecht auf den Dendritenbäumen der Purkinjezellen ( Chan-Palay, V. und Palay, S. L., 1987 ). Eine Körnerzelle innerviert zahlreiche Purkinjezellen. Ihren Eingang erhalten die Körnerzellen von den Moosfasern, die ihren Ursprung in den Kernen der Pons haben. Weiteren Eingang erhalten die Purkinjezellen von den Kletterfasern, die aus dem Nucleus olivae inferior stammen. Diese Fasern durchqueren die Körnerzellschicht, um dann an dem Dendritenbaum der Purkinjezellen buchstäblich emporzuklettern. Genauso wie die Parallelfasern haben auch die Moosfasern exzitatorische Wirkung. Die Verbindungen der Interneurone (Golgi-, Korb-, Sternzellen) des cerebellaren Kortex sind auschließlich inhibitorisch.

Abbildung 1: Links: Nisselfärbung eines Frontalschnittes eines Kleinhirn von der Ratte. Man erkenntdie Dreigliederung in den Vermis und zwei lateral gelegene Hemisphären. Rechts: Vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus der Molekularschicht. Von außen nach innen folgen die Schichten Pia Mater, Molekularschicht, Purkinjezellschicht, Körnerzellschicht und Markschicht. Die Bergmann Gliazell haben ihre Somata in der Purkinjezellschicht und senden 3-6 Ausläufer durch die Molekularschicht bis an die Pia Mater (Färbungen aus Altman, J. und Bayer, S. A., 1997 ).

1.4 Bergmann Gliazellen

1.4.1 Bergmann Gliazellen stehen in enger morphologischer Interaktion mit den Purkinjeneuronen

Die Bergmann Gliazelle ist eine spezielle Form der Astroglia. Sie wurde 1857 durch Carl Bergmann entdeckt. Die Zellkörper der Bergmann Gliazellen befinden sich in der Purkinjeneuronschicht. Sie sind der einzige Typ von Astrogliazellen der Purkinje- und Molekularschicht ( Reichenbach, et al., 1995 ). Zwei bis sechs Ausläufer befinden sich in radialer Richtung in der Molekularschicht, wo sie den


10

Dendriten der Purkinjeneurone folgen ( Golgi, C., 1885 ; Fananas, J. und Ramón y Cajal., 1916 ; Chan-Palay, V. und Palay, S. L., 1972 ; Das, G. D., 1976 ; Shiga, et al., 1983 ; Shiga, et al., 1983 ; Hanke, S. und Reichenbach, A., 1987 ). Es teilen sich von einem Hauptausläufer große blattähnliche („leave like“) Unterausläufer ab. Der Begriff „blattähnlich“ zielt auf den Umstand, daß ein großes Gebilde über einen relativ schmalen Steg mit dem Hauptausläufer verbunden ist. Die Komplexität der Verzweigtheit steigt dabei vom Hauptausläufer zu den Anhängen. Neuere Untersuchungen, die aus elektronenmikrospoisch gewonnenen Bildern die dreidimensionale Struktur rekonstruieren, zeigen ein Volumen zu Oberflächenverhältnis von 4.5 µm im Hauptausläufer gegenüber 25 µm in den Anhängen ( Grosche, et al., 1999 ). In letzter Konsequenz unschließen die Ausläufer der Bergmannglia die Synapsen der Parallelfasern auf den dendritischen Spines der Purkinjeneurone und bilden eine gliale Hülle ( Chan-Palay, V. und Palay, S. L., 1987 ; Grosche, et al., 1999 ).

1.4.2 Bergmanngliazellen exprimieren zahlreiche Rezeptoren für Neurotransmitter

Bergmanngliazellen exprimieren mehrere funktionelle Neurotransmitterrezeptoren. So werden Rezeptoren für Endothelin (EndothelinB Rezeptor, Tuschick, et al., 1997 ), ATP (P2Y Rezeptor, Kirischuk, et al., 1995 ), GABA (GABAA-Rezeptor, nur in jüngeren Tieren, Müller, et al., 1994 ), Adrenalin, Noradrenalin (alpha1-Adrenorezeptoren, Kirischuk, et al., 1996 ), Glutamat (inonotrope Rezeptoren vom AMPA/Kainat-Typ, Müller, et al., 1992 , vom NMDA Typ Müller, et al., 1993 und metabotrope Rezeptoren vom Typ mGluR1 und mGluR5 (mGluR allgemein: Lopez, Colome AM, Ortega, et al., 1997 ) und Histamin (H1 Rezeptor, Kirischuk, et al., 1996 ) auf Bergmanngliazellen beschrieben. Rezeptoren für Acetylcholin, Aspartat, Bradikinin, Dopamin, Glyzin, Oxytozin, Serotonin, Somatostatin, Supstanz P, Taurin und Vasopressin konnten nicht nachgewiesen werden ( Tuschick, S., 1997 ). Diese Rezeptorausstattung spiegelt das Rezeptorrepertoir der Purkinjeneurone wider ( Tuschick, S., 1997 ).


11

Abbildung 2: Bergmann Gliazellen mit dem Farbstoff Fura-2_AM im „bulk loading“-Verfahren gefärbt. Man erkennt die Zellsomata und proximale Anteile der Ausläufer.

1.4.3 Bergmanngliazellen detektieren synaptische Aktivität

Die elektrische Stimulation der Parallelfasern führt zu einem Einwärtsstrom über die Bergmann Gliazellmembran, wie Clark und Babour mit Hilfe der Patch-Clamp-Methode zeigen konnten ( Clark, B. A. und Barbour, B., 1997 ). Durch eine pharmakologische Charakterisierung konnte gezeigt werden, daß der Einstrom hauptsächlich durch ionotrope Glutamatrezeptoren vom AMPA/Kainat-Typ und durch Glutamattransporter hervorgerufen wird.

1.5 Allgemeine Mechanismen der Kalziumregulation in tierischen Zellen

1.5.1 Regulation der zytosolischen Ruhekonzentration von freien Kalziumionen

Im Zytosol von Gliazellen findet man eine sehr niedrige Konzentration von entweder 30-40 nM oder 200-400 nM freier Kalziumionen ( Verkhratsky, et al., 1998 ). Allerdings kann die zytosolische Kalziumkonzentration zeitlich begrenzt auf ein Vielfaches ansteigen. Solche Ereignisse nennt man Kalziumsignal oder Kalziumtransient. Kalziumsignale können die Auslösung bzw. die Modulation einer Vielzahl zellulärer Prozesse bewirken ( Clapham, D. E., 1995 ; Kostyuk, P. und Verkhratsky, A., 1994 ).

Das Konzentrationsgefälle von 1.2-1.5 mM freier Kalziumionen im Extrazellulärraum ( Heinemann, et al., 1977 ) zum Zytosol wird durch die Aktivität verschiedener kalziumbindender Proteine (Pufferproteine wie z.B. Calbindin,


12

Calsequestrin und Parvalbumin oder Effektorproteine wie z.B. Calmodulin, Proteinkinas C und Calneurin B, Übersicht: Heizmann, C. W. und Hunziker, W., 1991 ) und eine Reihe Energie aufwendender Pumpmechanismen aufrechterhalten ( Lytton, J. und Nigam, S. K., 1992 ).

Zelluläre Kompartimente können ebenfalls als Kalziumspeicher dienen. So erzeugt die SERCA-Pumpe (sarcoendoplasmatic reticulum calcium pump) im Lumen des endoplasmatischem Retikulum eine sehr hohe Kalziumkonzentration (Übersicht: Pozzan, et al., 1994 ). Daher kann das endoplasmatische Retikulum als Quelle von Kalziumsignalen dienen. Weitere intrazelluläre Kalziumspeicher sind Mitochondrien und der Golgi-Apparat (Übersicht Finkbeiner, S. M., 1993 ).

1.5.2 Zytosolische Kalziumsignale

Ein Kalziumsignal kann auf zwei Wegen zustande kommen - zum einen durch den Einstrom von Kalziumionen aus dem Extrazellulärraum und zum anderen durch die Freisetzung von Kalziumionen aus intrazellulären Speichern.

Der Einstrom von Ca2+-Ionen aus dem Extrazellulärraum erfolgt durch das Öffnen von spannungs- oder ligandengesteuerten Kanälen in der Plasmamembran. Durch eine Erhöhung der intrazellulären Na+-Konzentration ( Kirischuk, et al., 1997 ) kann ein Ca2+ Einstrom auch durch die Umkehrung des Na+/Ca2+ Austauschers zustandekommen. Die Aktivierung von Kalziumsignalen wird außerdem durch den Einstrom von Ca2+ aus dem Extrazellulärraum durch sogenannte SOCC-Kanäle (store operated calcium channels) gewährleistet, die durch die Entleerung der intrazellulären Ca2+-Speicher aktiviert werden ( Toescu, E. et al., 1998 ). Die intrazellulären Speicher werden dann aus dem zytosolischem Ca2+ wiederaufgeladen.

Eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration kann auch durch die Freisetzung von Ca2+ Ionen aus intrazellulären Speichern erfolgen. In allen eukaryotischen Zellen existieren spezialisierte Zellorganellen mit der Funktion eines intrazellulären Kalziumspeichers (endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien, Kernhülle). Diese Organellen sind zur Speicherung hoher Konzentrationen von Kalziumionen fähig und setzen diese zur Generierung von intrazellulären Kalziumsignalen frei. Am besten untersucht sind Inositol-3-Phosphat-sensitive Kalziumspeicher. In diesen Kalziumspeichern wird der Ausstrom von Ca2+-Ionen durch die Aktivierung metabotroper Membranrezeptoren bewirkt. Diese bewirken


13

die Synthese von Inositol-3-Phosphat (IP3), welches dann mit spezifischen Rezeptoren an der Membran des endoplasmatischen Retikulum wechselwirkt und zum Ausstrom von Ca2+-Ionen führt ( Streb, et al., 1983 ).

Um das Kalziumsignal zu terminieren, werden die Kalziumionen in den Extrazellulärraum ausgeschleust und in die intrazellulären Kalziumspeicher zurückgeführt. Der Ausstrom von Ca2+ in den Extrazellulärraum wird durch in der Plasmamembran befindliche Kalzium-ATPasen im Antiport mit Protonen sowie Na+/Ca2+-Austauscher bewirkt. Die Rückführung des Kalzium in das endoplasmatische Retikulum geschieht durch die SERCA (sarcoendoplasmatic reticulum Ca2+ ATPase) Kalziumpumpen. Die Speicherung des Ca2+ in den Mitochondrien geschieht durch Transport mit Hilfe des elektrochemischen Gradienten über der inneren Mitochondrienmembran, der durch die Elektronenübertragung während der Zellatmung entsteht. Eine wichtige Rolle bei der Festlegung der räumlichen Ausdehnung des Kalziumsignals in der Zelle spielen außerdem spezielle kalziumbindende Proteine wie z.B. Calmodulin, die mit hoher Effektivität freie Kalziumionen binden und somit ihre Diffusion durch das Zytoplasma verhindern.

1.6 Neurotransmitter Glutamat

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Seit der Entdeckung des ersten funktionellen Glutamatrezeptors (GluR1, AMPA Rezeptor) durch Hollmann ( Hollmann, et al., 1989 ) auf dem Wege der Expressions Klonierung ( Masu, et al., 1991 ) sind zahlreiche weitere ionotrope und metabotrope Glutamatrezeptoren durch Sequenzanalogien gefunden worden (zur Übersicht: Hollmann, M. und Heinemann, S., 1994 ). Außerdem sind verschiedene Transportertypen bekannt (zur Übersicht: Vandenberg, R. J., 1998 ). Zusätzlich zu seiner Funktion als Neurotransmitter spielt Glutamat in der Entwicklung ( Cline, H. T. und Constantine, Paton M., 1989 ; Kleinschmidt, et al., 1987 ), bei LTP („long term potentiation“) und bei LTD („long term depression“) (zur Übersicht: Rison, R. A. und Stanton, P. K., 1995 ; Kano, M., 1994 ; Dragunow, M., 1996 ; Daniel, et al., 1998 ; Levenes, et al., 1998 ) eine Schlüsselrolle. Glutamat ist in pathologischen Situationen wie z.B. epileptischen Anfällen ( Babb, T. et al., 1998 ; Mathern, G. et al., 1998 ), Schizophrenie ( Catts, S. et al., 1997 ), Hypoxie und Ischämie ( Budd, S. L., 1998 ;


14

Vandenberg, R. J., 1998 ) wichtig, da es in hohen Konzentrationen neurotoxisch wirkt ( Montal, M., 1998 ; Olney, J. W., 1994 ; Olney, J. W., 1994 ). Kalziumeinstrom durch Glutamatrezeptoren gilt als Mechanismus für die Neurotoxizität von Glutamat ( Choi, D. W., 1988 ). Im folgenden wird die von Hollmann und Heinemann ( Hollmann, M. und Heinemann, S., 1994 ) eingeführte Notation für Glutamat Rezeptoren verwendet.

1.6.1 Glutamatrezeptoren vom NMDA Typ

Ionotrope Glutamatrezeptoren sind oligomere Membranproteine, die einen kationselektiven Kanal bilden. Rezeptoren vom NMDA-Typ setzen sich homo- oder heteromer aus den NMDAR1 und NMDAR2A-NMDAR2D genannten Untereinheiten zusammen. Der NMDA-Rezeptor ist der einzige bekannte ligandengesteuerte Ionenkanal, dessen Öffnungswahrscheinlichkeit unter physiologischen Bedingungen von dem Membranpotential abhängt ( Hollmann, M. und Heinemann, S., 1994 ). Der Kanal wird durch zahlreiche Mechanismen reguliert. Zum einen wird der Kanal durch ein Magnesiumion in der Membranpore blockiert, das erst bei einer Depolarisierung der Zelle aus dem Kanal entweicht. Desweiteren konnte eine regulatorische Bindungsstelle für Glyzin nachgewiesen werden ( Kleckner, N. W. und Dingledine, R., 1988 ). Dieser Kanal erfüllt die 1949 von Donald Hebb in Verbindung mit einem Modell für Lernvorgänge aufgestellten Forderung nach einem hebbianischen Molekül. Zudem ist gezeigt worden, daß die Aktivtät des NMDA-Rezeptors sowohl für die Induktion LTP („long term potentiation“) als auch für die Synaptogenese notwendig ist. Für diese mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung gebrachten Vorgänge sind insbesondere durch NMDA-Rezeptoren vermittelte postsynaptische Kalziumsignale ausschlaggebend. Für die Ionenpermeabilität der Pore und deren Regulation durch Kalzium ist die Zusammensetzung aus den verschiedenen Untereinheiten und deren Splicevarianten verantwortlich ( Koltchine, V. et al., 1996 ). Im Laufe der Entwicklung ändert sich die Zusammensetzung der NMDA-Rezeptoruntereinheiten, so daß im jungen Tier, in Zeiten hoher synaptischer Plastizität, Zusammensetzungen mit hoher Permeabilität für Kalzium bevorzugt sind (zur Übersicht: Constantine, Paton M., 1994 ). Kalziumeinstrom durch den NMDA-Rezeptor kann zur Freisetzung von NO führen. NO ist ein frei durch Zellmembranen diffundierender Botenstoff, mit einer Reichweite von einigen Zelldurchmessern und einer Halbwertszeit im Bereich von


15

Sekunden (zur Übersicht: Dawson, T. M. und Snyder, S. H., 1994 ; Garthwaite, J. und Boulton, C. L., 1995 ). NO wird als retrograder Messenger in Verbindung mit LTP diskutiert. So ist gezeigt, daß NO in dem Parallelfaser-Purkinje-System zu einer Verminderung der Transmitterfreigabe führt. Außerdem haben Sorg et al. ( Sorg, et al., 1997 ) gezeigt, daß NO in kultivierten Astrozyten zur Erhöhung der zytosolischen Kalziumkonzentration führen kann.

1.6.2 Glutamatrezeptoren vom AMPA/KainatTyp

Rezeptoren vom nicht NMDA-Typ teilen sich in zwei Klassen auf: AMPA- und Kainaterezeptoren. AMPA-Rezeptoren sind Homo- oder Heteromere aus den Untereinheiten GluR1-4 ( Burnashev, et al., 1992 , Hume, R. et al., 1991 , Verdoorn, T. et al., 1991 ). Die Untereinheiten GluR1-4 existieren in jeweils zwei Formen, die durch alternatives Splicing erzeugt werden ( Sommer, et al., 1990 ). An Purkinjezellen konnte man zeigen, daß die sogenannten ‚flip’ und ‚flop’ Varianten der Untereinheiten im Laufe der Entwicklung in verschiedenem Maße exprimiert werden ( Monyer, et al., 1991 ). In Purkinjezellen junger Mäuse liegt überwiegend die ‚flip’ Variante vor, die Glutamat effektiver bindet, als die ‚flop’ Variante ( Sommer, et al., 1990 ). Im Falle der Untereinheit GluR2 ist außerdem eine im Zytosol stattfindende Modifikation der RNA, das RNA-Editing, nachgewiesen ( Sommer, et al., 1991 ). Die Rezeptoren vom Kainat-Typ setzen sich aus Untereinheiten der Proteinfamilien GluR5-7 und KA1-2 zusammen ( Herb, et al., 1992 ; Howe, J. R., 1996 ; Swanson, G. et al., 1996 ). Physiologisch fallen die AMPA-Rezeptoren durch ihre schnelle Desensitivierung bei Stimulation mit Glutamat oder AMPA auf ( Kiskin, N. et al., 1986 ). Kainat stellt einen nicht desensitivierenden Agonisten dar. Funktionell wird die schnelle Desensitivierung mit der Modulation postsynaptischer Reaktion auf synaptische Aktivität in Verbindung gebracht ( Dudel, et al., 1988 ; Trussell, L. et al., 1988 ; Tang, C. et al., 1989 ; Trussell, L. O. und Fischbach, G. D., 1989 ). Die funktionelle Bedeutung der differenziellen Expression der GluR2 und Glur4 Untereinheiten ist in der unterschiedlichen Permeabilität für Kalziumionen und in Unterschieden in der Desensitivierungsgeschwindigkeit zu suchen ( Geiger, J. et al., 1995 ). Die Kanäle mit der GluR2 Untereinheit zeichnen sich durch ein langsames Zeitverhalten (Zeitkonstanten 10-15ms) bei geringer Kalziumpermeabiltät ( Mayer, M. L. und Westbrook, G. L., 1987 ; Colquhoun, et al., 1992 ; Hestrin, S., 1993 ; Jonas, P. und Spruston, N., 1994 ) aus, während Kanäle mit der GluR4 Untereinheit schneller schalten (Zeitkonstanten 3-6ms) und hohe Kalziumpermeabilität ( Hestrin, S., 1993 ; Jonas, P. und Spruston, N., 1994 ; Koh, D. et al., 1995 ) zeigen. Das RNA-Editing der GluR2 Untereinheit führt zu einer reduzierten Kalziumpermeabilität gegenüber der nicht editierten Form ( Hollmann, et al., 1991 ; Hume, R. et al., 1991 ; Burnashev, et al., 1992 ).

1.6.3 Nachweis von Glutamat Rezeptoren im Cerebellum

In Bergmann Gliazellen sind die Rezeptoruntereinheiten GluR1 und GluR4 des AMPA (alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole) selektiven Glutamatrezeptors sowohl mit immunhistochemischen Methoden ( Ripellino, J. et al., 1998 , Jaarsma, et al., 1995 ) als auch mit Hilfe der ‚in Situ’-Hybridisierung ( Day, N. et al., 1995 ) nachgewiesen worden. In Körnerzellen und in Purkinjeneuronen konnte die mRNA der Untereinheiten GluR1 und GluR2, nicht aber die von GluR3 oder GluR4 gefunden werden ( Day, N. et al., 1995 ). Die Untereinheiten GluR2/3, GluR5, GluR6, GluR7 und NR-1, NR-2, KA-1, KA-2 von Glutamatrezeptoren des NMDA (non-N-methyl-D-aspartate)- bzw. Kainat-Typs konnten in denselben Studien nicht nachgewiesen werden.

Physiologische Studien auf der Basis von Ganzzellableitungen und Fura-2-fluorometrischen Messungen zeigen, daß Bergmann Gliazellen im Gegensatz zu Purkijeneuronen Kainat-Rezeptoren mit einer relativ hohen Kalziumleitfähigkeit exprimieren ( Tempia, et al., 1996 ).

1.7 Neuron-Glia Interaktionen

Die Bergmann Gliazelle ist ein Vertreter der Astrogliazellen. Diese Zellen bedecken nahezu vollständig die Bereiche des Neurons, auf denen keine Synapsen terminieren. Diese enge morphologische Interaktion läßt vermuten, daß auch eine funktionelle Interaktion stattfindet. Insbesondere die Untersuchung von intrazellulären Kalziumsignalen in Astrogliazellen hat hier Aufschlüsse gebracht. So zeigen Astrogliazellen im optischen Nerv Kalziumantworten auf die elektrische Stimulation des Nervs ( Kriegler, S. und Chiu, S. Y., 1993 ). Carsten Ohlemeyer hat im Rahmen seiner Dissertation somatische Kalziumreaktionen von Gliazellen als Antwort auf elektrische Stimulation des Corpus callosum gezeigt ( Ohlermeyer, C., 1996 ). Elektrophysiologische Untersuchungen an Bergmann Gliazellen weisen eine


17

Depolarisation der Zellen während elektrischer Stimulation der Parallelfasern nach ( Clark, B. A. und Barbour, B., 1997 ). Kalziumtransienten in Ausläufern von Bergmann Gliazellen wurden von Grosche et. al. ( Grosche, et al., 1999 ) auf elektrische Stimulation der Parallelfasern hin beobachtet.

Die oben genannte Arbeit beschäftigt sich mit der Detektion neuronaler Aktivität durch Astrogliazellen. Eine neuere Untersuchung konnte nachweisen, daß Kalziumwellen im Astrogliasynzytium die Übertragungseffizienz neuronaler Verbindungen erhöhen können ( Newman, E. A. und Zahs, K. R., 1998 ).

Ein weiteres, wichtiges Beispiel für Neuron-Glia Interaktion ist die Beschleunigung der Reizleitung durch Schwannzellen bzw. Oligodendrogliazellen durch die Myelinbildung. Wie entscheidend diese Funktion ist, sieht man bei degenerativen Erkrankungen, wie z.B. der Multiplen Sklerose ( Storch, M. und Lassmann, H., 1997 ).


© 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 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Thu Sep 19 11:06:18 2002