Dopamin/Glutamat-Co-Ausschüttung bei der Parkinsonerkrankung

Morbus Parkinson (MP) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die charakterisiert ist durch ein progredientes Absterben von Dopaminneuronen im Mittelhirn. Die Leitsymptome von MP umfassen Rigidität, Bradykinesie/Akinesie und einen Ruhetremor. Eine Subgruppe von Dopaminneuronen des Mittelhirns, und zwar jene, die zum Nucleus accumbens (NAc) projizieren, ist nicht durch das Absterben betroffen. Daraus ergibt sich die Frage, weshalb manche Dopaminneurone leichter degenerieren als andere. Es konnte gezeigt werden, dass manche Dopaminneurone im NAc nicht nur Dopamin, sondern auch den exzitatorischen Neurotransmitter Glutamat freisetzen. Die Fähigkeit eines Neurons Glutamat freizusetzen ist abhängig von der Expression eines einzigen Proteins, nämlich des vesikulären Glutamattransporters (VGLUT). Eine Isoform des VGLUT, genannt VGLUT2, konnte dann auch tatsächlich in synaptischen Vesikeln von Dopaminneuronen des NAc mittels Immunhistochemie nachgewiesen werden. Funktionell, scheint die zusätzliche Expression von VGLUT2 in synaptischen Vesikeln von Dopaminneuronen, die vesikuläre Speicherung von Dopamin zu erhöhen, indem Glutamat den Protonengradienten in den Vesikeln zugunsten von Dopamin erhöht. Folglich kann Dopamin schneller aus dem Cytosol in die Vesikel gelangen und die Wahrscheinlichkeit für eine im Cytosol stattfindende Oxidierung von Dopamin und eine daraus resultierende Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies wird damit vermindert. In Folge sollte auch die Anfälligkeit für Apoptose und Nekrose in Dopaminneuronen reduziert sein. Interessanterweise konnte man zeigen, dass die genetische Deletion von VGLUT2 selektiv in Dopaminneuronen zu einer Reduktion von dopaminergen Zellen führte, ein Indiz für eine potentielle neuroprotektive Rolle von VGLUT2. Aufbauend auf diesen Befunden stelle ich die Hypothese auf, dass NAc-Dopaminneurone weniger von MP betroffen sind, weil die zusätzliche Expression von VGLUT2 zu einer effizienteren Dopaminspeicherung in Vesikeln führt und somit neuroprotektiv ist. Mein Ziel ist es, eine Strategie zu entwickeln, um diese Hypothese direkt in einem MP-Mausmodel experimentell zu überprüfen. Dazu möchte ich einerseits testen, ob die Deletion des VGLUT2- kodierenden Gens selektiv in Dopaminneuronen, das Überleben der entsprechenden Zellen in einem pharmakologischen MP-Mausmodell reduziert. Ferner, möchte ich testen, ob eine ektopische, viral- induzierte Expression von VGLUT2 in Dopaminzellen der Substantia nigra, welche bei MP vornehmlich degenerieren und keinen VGLUT2 exprimieren, diese vor dem Zelltod schützen kann. Um meine Hypothesen zu überprüfen, verwende ich genetisch veränderte Mäuse und virale Vektoren, um VGLUT2 in genau definierten Hirnregionen zu induzieren oder zu deletieren. In diesen Mäusen möchte ich anschließend durch ein Toxin MP induzieren und mittels histologischer, biochemischer, elektrophysiologischer und mikroskopischer Methoden, die potentielle neuroprotektive Rolle von VGLUT2 herausfinden. Letztlich ist es mein Ziel, neue pharmakologisch attraktive Angriffspunkte zu identifizieren, die neue Wege zur Prävention und Behandlung von MP liefern können.

Im Zuge meines Postdocs habe ich mich mit der Frage beschäftigt, weshalb manche Nervenzellen bei der Parkinsonerkrankung (MP) anfälliger für Neurodegeneration sind als andere. MP ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung und gekennzeichnet durch einen Verlust an Nervenzellen, die den Neurotransmitter Dopamin (DA) produzieren. Die Ursache weshalb diese Zellen bei MP absterben ist unzulänglich untersucht. Während meines Postdocs untersuchte ich eine Subpopulation an DA Zellen, welche zusätzlich zu Dopamin auch Glutamat, den häufigsten erregenden Neurotransmitter im Gehirn, ausschütten. Nur an die 10-20% von Dopaminzellen schütten auch Glutamat aus. Interessanterweise ist diese Zellpopulation bei MP auch weniger von Neurodegeneration betroffen, was die Frage aufwirft, wieso diese Zellen resistenter sind. In meinen Experimenten konnte ich zeigen, dass fast alle Dopaminzellen der Maus im Zuge der Gehirnentwicklung Glutamat freisetzen. Im Erwachsenenalter jedoch ist dies nur mehr eine Minderheit. Wieso also schütten Dopaminzellen anfangs Glutamat aus und beenden dies später? Überraschenderweise war die Zahl von Dopaminzellen nach genetischer Abschaltung der Glutamatfreisetzung unverändert, was darauf hin deutet, dass die Glutamatfreisetzung während der Entwicklung keine allzu große Rolle für Dopaminzellen spielt. Als ich jedoch Mäuse mit einem Neurotoxin behandelte, welches MP in diesen induziert, konnte ich feststellen, dass Dopaminzellen den vesikulären Glutamattransporter 2 (VGLUT2) hochregulierten, welcher für die Ausschüttung von Glutamat notwendig ist. Bereits zuvor wurde gezeigt, dass VGLUT2 DA Zellen dabei hilft, mehr DA zu speichern und freizusetzen, weshalb ich spekulierte, das eine genetisch induzierte Expression von VGLUT2 in DA Zellen, welche VGLUT2 nicht oder nicht mehr exprimieren, dabei helfen könnte, resistenter gegen MP zu sein. Unerwarteter weise fand ich jedoch, dass, wenn ich VGLUT2 in DA Zellen exprimierte, diese Zellen degenerierten und einen Parkinson-ähnlichen Zustand in Mäusen auslösten. Andere Nervenzellen hingegen tolerierten VGLUT2. Meine Ergebnisse deuten demnach daraufhin, dass die Produktion von VGLUT2 in DA Zellen anfangs neuroprotektiv ist, weil es den Zellen dabei hilft mehr DA zu speichern und freizusetzen, dass jedoch eine längere Expression von VGLUT2 diesen Zellen schadet. Ich spekuliere daher, dass VGLUT2 ein früher Indikator für MP sein könnte und dass dies bei der Diagnose und Behandlung von MP eine bedeutende Rolle spielen könnte.