Strukturelle Konformationen von Kainatrezeptoren in Physiologie und Pathophysiologie

• Antragstellerin: Patricia Brown, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516425236

Ionenkanalbildende Glutamatrezeptoren (iGluR) vermitteln die schnelle erregende Neurotransmission des zentralen Nervensystems (ZNS) in Säugetieren. Im Vergleich zu AMPA und NMDA iGluR, die wichtige Rollen in der synaptischen Plastizität spielen, sind Kainatrezeptoren (KAR) eher dafür bekannt, neuronale Netzwerke zu modulieren. Mäuse, denen die KAR Gene (Grik) fehlen, weisen schwere Zwangs- und Bewegungsstörungen auf, die mit anatomischen und synaptischen Defiziten in neuronalen Netzwerken korrelieren. De novo GRIK Varianten, die zu einem Funktionsgewinn oder –verlust führen, sind mit humanen neurologischen Störungen und Entwicklungsstörungen assoziiert und führen zum Beispiel zu geistigen Behinderungen, Bewegungsstörungen und Epilepsie. KAR gehören deshalb zu potentiellen therapeutischen Targets und es ist daher wesentlich die spezifischen architektonischen und funktionellen Eigenschaften der Komponenten zu analysieren, die das Verhalten synaptischer KAR steuern. Native KAR setzen sich als heteromere Komplexe aus primären und sekundären Untereinheiten zusammen, von denen jede den Rezeptor mit besonderen funktionellen Eigenschaften ausstattet. Die KAR-Desensibilisierung wird von umfangreichen Konformationsänderungen in der Ligandenbindungsdomäne (LBD) begleitet, ein Merkmal, das sie strukturell von anderen iGluR unterscheidet. Insbesondere führt die vollständige Dissoziation des LBD-Dimers nach der Agonistenbindung zur Desensibilisierung des Rezeptors. Es wurde in vorherigen Studien mittels Mutationen in der LBD der GluK2-Untereinheit festgestellt, dass die Stabilität des LBD-Dimers eine wichtige Rolle bei der Regulation der Desensibilisierung des Rezeptors spielt. Für dieses Projekt werde ich Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) verwenden, um die strukturellen Auswirkungen einer nicht-desensibilisierenden GluK2-Mutante, nämlich D776K, im Zusammenhang mit Volllängen homomeren und heteromeren Rezeptoren zu untersuchen. Genauer gesagt wird diese Strukturinformation aufzeigen, wie Konformationsänderungen in der LBD und der Kanalpore zu einem Ionenfluss in der offenen Konformation führen, was noch heute für KAR unbekannt ist. Darüber hinaus sind natürlich vorkommende „gain-of-function“ GRIK2-Varianten mit schweren neurologischen Entwicklungsstörungen assoziiert und sie verleihen den Rezeptoren konstitutive Aktivität. Hier werde ich den Einfluss der Variante A657T auf die Stuktur homomerer und heteromerer KAR mittels Kryo-EM untersuchen, um die genaue Konformations- oder Architekturänderungen in der Kanalpore zu bestimmen, die trotz fehlende Ligandenbindung zum Ionenfluss führen. Diese Informationen könnten wiederum sehr nützlich für die Entwicklung gezielter Therapieansätze in der Zukunft sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen