α2δ-2 mediates coupling of presynaptic calcium entry to vesicle release in hippocampal parvalbumin-expressing interneurons

Das Gehirn beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Signalen, die Neuronen erregen, und Signalen, die sie beruhigen. Wenn dieses Gleichgewicht zu weit in Richtung Erregung kippt, kann das Ergebnis ein Anfall sein – ein plötzlicher Anstieg elektrischer Aktivität, der die normale Funktion stört. Um diese Stabilität aufrechtzuerhalten, nutzt das Gehirn spezielle Zellen namens Interneurone, die als Bremsen des Nervensystems fungieren. Diese Zellen setzen einen chemischen Botenstoff namens GABA frei, der benachbarte Neuronen verlangsamt und verhindert, dass sie zu schnell feuern. Damit dieses Bremssystem funktioniert, müssen die Interneurone in der Lage sein, zu erkennen, wenn ein elektrisches Signal eintrifft, und sofort ihre chemische Fracht freisetzen. Dieser Prozess hängt von winzigen Poren in der Zellmembran ab, den Kalziumkanälen, die Kalzium hineinlassen, um die Freisetzung auszulösen. Diese Kanäle benötigen jedoch oft Hilfe von kleineren Partnerproteinen, um korrekt zu funktionieren, und Wissenschaftler lernen noch genau, wie diese Partnerschaften in verschiedenen Teilen des Gehirns funktionieren.

Ein Forschungsteam wandte seine Aufmerksamkeit kürzlich einem spezifischen Partnerprotein namens Alpha-2-Delta-2 zu, das zu einer Familie von Molekülen gehört, die Kalziumkanäle unterstützen. Sie konzentrierten sich auf eine Gruppe inhibitorischer Zellen im Hippocampus, einer Region des Gehirns, die für das Gedächtnis entscheidend ist, und die durch ein Protein namens Parvalbumin gekennzeichnet sind. Diese Parvalbumin-positiven Zellen sind dafür bekannt, reich an dem Alpha-2-Delta-2-Partner zu sein, und frühere Studien hatten gezeigt, dass Mäuse, denen dieses Protein fehlt, unter spontanen Anfällen leiden. Die Forscher wollten die mechanische Verbindung zwischen dem fehlenden Protein und den Anfällen verstehen. Sie fragten sich, ob das Fehlen dieses Partnerproteins einfach die Anzahl dieser Bremszellen reduzierte oder ob es die Maschinerie innerhalb der Zellen beschädigte, die es ihnen ermöglicht, ihre beruhigenden Chemikalien überhaupt freizusetzen.

Um die Antwort zu finden, bereiteten die Wissenschaftler dünne Schnitte aus Hirngewebe von Mäusen vor, denen das Alpha-2-Delta-2-Protein fehlte, und verglichen sie mit Schnitten von normalen Mäusen. Zuerst untersuchten sie die Gesamtaktivität im Gyrus dentatus, einem spezifischen Bereich innerhalb des Hippocampus. Sie fanden heraus, dass sich in den Mäusen, denen das Protein fehlte, das Gleichgewicht der Signale verschoben hatte; die erregenden Signale waren im Verhältnis zu den inhibitorischen stärker. Um zu sehen, ob dies daran lag, dass die Bremszellen nicht richtig feuerten, nutzten die Forscher eine Technik namens Optogenetik, die es Wissenschaftlern ermöglicht, spezifische Zellen mit Licht ein- und auszuschalten. Wenn sie Licht nutzten, um die Parvalbumin-positiven Zellen zu aktivieren, zeigten die normalen Mäuse eine starke Freisetzung inhibitorischer Signale. Im Gegensatz dazu produzierten die Mäuse ohne das Alpha-2-Delta-2-Protein drastisch kleinere inhibitorische Ströme, was darauf hindeutete, dass die Zellen Schwierigkeiten hatten, ihre Aufgabe zu erfüllen.

Das Team untersuchte dann, ob die Zellen einfach fehlten oder ob sie vorhanden, aber funktionsgestört waren. Durch das Färben des Gewebes, um die Zellen sichtbar zu machen, entdeckten sie, dass in den mutierten Mäusen tatsächlich weniger Verbindungen von diesen inhibitorischen Zellen zu ihren Zielneuronen bestanden. Das Problem ging jedoch tiefer als nur ein Verlust von Verbindungen. Selbst die verbliebenen Verbindungen waren funktionell beeinträchtigt. Die Forscher maßen die Wahrscheinlichkeit, mit der die Zellen ihren chemischen Botenstoff freisetzen, und stellten fest, dass diese in den mutierten Mäusen signifikant niedriger war. Darüber hinaus beobachteten sie, dass der Vorrat an bereit zur Freisetzung stehenden chemischen Paketen, bekannt als Vesikel, in den normalen Mäusen größer war.

Schließlich untersuchten die Wissenschaftler, wie gut die Kalziumkanäle mit der Freisetzung dieser Vesikel verknüpft waren. Durch die Manipulation der Kalziumwerte innerhalb und außerhalb der Zellen demonstrierten sie, dass die Verbindung zwischen dem Eintritt von Kalzium und der anschließenden Freisetzung des inhibitorischen Chemikals in den Zellen, denen das Alpha-2-Delta-2-Protein fehlte, viel schwächer war. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieses spezifische Partnerprotein essenziell für die Kopplung des Kalziumeintritts an die Freisetzung inhibitorischer Signale in diesen Gehirnzellen ist. Oh ohne es wird das Bremssystem ineffizient, was zu einem Zustand führt, in dem das Gehirn anfälliger für die unkontrollierten elektrischen Stürme, die als Anfälle bekannt sind, ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass die bei diesen Mäusen beobachteten Anfälle nicht nur das Resultat einer geringeren Anzahl an inhibitorischen Zellen sind, sondern durch einen grundlegenden Zusammenbruch in der Art und Weise verursacht werden, wie die verbleibenden Zellen kommunizieren und ihre beruhigenden Signale freisetzen.