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Das aktuelle "Paper of the Month" (12-2017) geht an: Prof. Jürgen Klingauf vom Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Prof. Jürgen Klingauf (Foto: CiM)

Für den Monat Dezember 2017 geht das "Paper of the Month" der Medizinischen Fakultät der WWU Münster an:

Prof. Jürgen Klingauf, Direktor des Instituts für Medizinische Physik und Biophysik die Publikation:

VGLUT1 functions as a glutamate/proton exchanger with chloride channel activity in hippocampal glutamatergic synapses
By: Martineau, Magalie; Guzman, Raul E.; Fahlke, Christoph & Klingauf, Jürgen
NATURE COMMUNICATIONS   Volume: 8     Article Number: 2279   Published: DEC 22 2017

Zu Hintergrund, Fragestellung und Bedeutung der Publikation:

Während der synaptischen Übertragung werden verschmolzene synaptische Vesikel durch Endocytose recycliert und für eine erneute Verwendung mit Transmitter beladen. Die Beladung der Vesikel mit Glutamat erfolgt durch vesikuläre Glutamattransporter (VGLUTs). Verlust von VGLUT unterbindet die glutamaterge Neurotransmission und führt zu schweren kognitiven Fehlleistungen und Letalität. Eine Modulation der VGLUT-Aktivität wird bei der Pathophysiologie mehrerer neurologischer Krankheiten impliziert (Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson und Epilepsie).

Wir zeigen durch Mikroskopie mit pH- und Chlorid-sensitiven Fluoreszenzsonden in lebenden kultivierten Nervenzellen von Wildtyp- und VGLUT-defizienten Mäusen, dass VGLUT ein Glutamat/Protonen Austauscher mit assoziierter Chloridleitfähigkeit ist. Nach der Endocytose kann so das meiste aufgenommene Cl- durch Glutamat ersetzt werden, ohne daß sich die elektrische Vesikelmembranspannung oder die Osmolarität ändern. Dieser Austausch wird durch den Cl—Gradienten selbst sowie durch den Protonengradienten angetrieben, den die vakuoläre Protonenpumpe erzeugt. Unsere Ergebnisse erhellen den Transportmechanismus von Glutamat unter physiologischen Bedingungen und zeigen, wie Änderungen von intrazellulärem Cl- und pH den Glutamattransport und damit die synaptische Übertragungsstärke modulieren können.

Es wird kontrovers diskutiert, ob die VGLUT-Aktivität in vivo die synaptische Übertragung modulieren kann. Der von uns gezeigte Glutamat/Cl- Austausch ist ein bedeutender Mechanismus dafür. Die pathophysiologischen Bedingungen, die zu Änderungen des intra- und extrazellulären Cl- führen, müssen nun untersucht werden, um zu klären, ob die glutamaterge Übertragung und synaptische Plastizität tatsächlich auf diese Weise moduliert werden.

 

Background and fundamental question of the publication:

During neurotransmission, synaptic vesicles are retrieved by endocytosis and refilled with neurotransmitters for a new round of exocytosis. Vesicles are filled with glutamate by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). Loss of VGLUT abolishes glutamatergic neurotransmission leading to severe cognitive malfunctions and lethality. The modulation of VGLUT activity is implicated in the pathophysiology of several neurological diseases including schizophrenia, Alzheimer’s, Parkinson’s disease and epilepsy.

We show by live-cell imaging with pH- and chloride-sensitive fluorescent probes in cultured hippocampal neurons of wild-type and VGLUT1-deficient mice that in SVs VGLUT functions as a glutamate/proton exchanger associated with a channel-like chloride conductance. After endocytosis most internalized Cl− is substituted by glutamate in an electrically, and presumably osmotically, neutral manner, and this process is driven by both the Cl− gradient itself and the proton motive force provided by the vacuolar H+-ATPase. Our results shed light on the transport mechanism of VGLUT under physiological conditions and provide a framework for how modulation of glutamate transport via intracellular Cl− and pH can change synaptic strength.

It is debated whether modulation of VGLUT activity might change synaptic strength in vivo. The glutamate/Cl− exchange mode we identified represents an important means to modulate transmission. The pathophysiological conditions leading to variations in intra- or extracellular Cl− remain to be determined in order to ascertain that these impact glutamatergic transmission and synaptic plasticity.

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