Hummerich, René (2011)
Transglutaminase-mediierte Serotonylierung neuronaler und glialer Proteine.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Zentralen Nervensystem (ZNS) spielt Serotonin (5-HT) eine entscheidende Rolle, sowohl als Neurotransmitter, als auch bei der neuronalen Entwicklung, der Synaptogenese, der neuronalen Plastizität inklusive Zellwanderung und Zellkontakt-Formation. Serotonin ist beteiligt an der Steuerung der Stimmungen, von Emotionen, Schlaf und Appetit, so wie an der Kontrolle des Verhaltens und an einer Vielzahl von physiologischen Funktionen. Im Vergleich zu anderen Neurotransmittersystemen, ist das serotonerge System am komplexesten und expansivsten aufgebaut. Serotonerge Neurone vermitteln Effekte sowohl an den Synapsen, als auch parakrin über extrasynaptische, axonale und somatodendritische Freisetzung. Die Effizienz der serotonergen Signalübertragung, d.h. der Konzentration von extrazellulärem 5-HT, wird direkt kontrolliert über die Wiederaufnahme in die serotonergen Zellen durch den Serotonintransporter (SERT). Außerhalb des ZNS dient Serotonin im Blutserum als Vasoconstrictor; synthetisiert in den enterochromaffinen Zellen des Gastrointestinaltrakts wird es von Thrombozyten aufgenommen. Der Kontakt von Thrombozyten mit verletztem Gewebe führt zur Freisetzung von 5-HT gefolgt von Adhäsion und Aggregation der Thrombozyten. Serotonin wird hierbei kovalent an prokoagulierende Proteine transamidiert und ist somit direkt beteiligt an der Blutgerinnung. Dieser Prozess wird durch Transglutaminase vermittelt und als Serotonylierung bezeichnet. Die serotonylierten Proteine interagieren mit spezifischen 5-HT Bindungsstellen auf Fibronektin und Thrombospondin und bilden so stabile extrazelluläre, multivalente Komplexe, welche notwendig sind für die Thrombusbildung. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die Transglutaminase-mediierte kovalente Inkorporation von Monoaminen auch an neuralen Proteinen möglich ist und welche Auswirkungen sie auf die Expression von extrazellulären Proteinen hat. Die Ergebnisse zeigten, dass [3H]-Serotonin sowohl durch endogene- als auch recombinante TGase, an Mausgehirn Homogenat transamidiert wurde. Diese Serotonylierung wurde spezifisch durch Cystamin und Monodansylcadaverin inhibiert. Vermittelt durch recombinante TGase2 wurden extrazelluläre- und Zelloberflächen-Proteine von C6 Gliomazellen spezifisch mit [3H]-Serotonin transamidiert, auch diese Serotonylierung wurde durch Cystamin inhibiert und dosisabhängig durch unmarkiertes 5-HT verdrängt. Die Transglutaminase-mediierte Transamidierung von unmarkiertem Serotonin bei C6 Gliomazellen führte zu Induktion von Proteinaggregaten an der Zelloberfläche und zwischen den Zellen. Bei diesen Proteinaggregaten handelte es sich um multivalent verknüpfte extrazelluläre Proteinnetzwerke bestehend aus serotonylierten Proteinen und den zugehörigen Bindungsproteinen. Gleichermaßen zeigte sich, dass die Transamidierung von 5-HT eine wachstumsfördernde und protektive Wirkung gegenüber zellschädigenden Außeneinflüssen hat. Zur Visualisierung dieser Proteinnetzwerke wurde das autofluoreszierende, serotoninanaloge 5,7-Dihydroxytryptamin, sowie Monodansylcadaverin (MDC) spezifisch an lebende C6 Gliomazellen transamidiert. Die elektrophoretische Auftrennung der mit MDC inkorporierten C6 Zellproteine zeigte mehrere fluoreszierende, distinkte Proteinbanden. Eines dieser Zielproteine der TGase mediierten Transamidierung konnte als Fibronektin identifiziert werden. Die spezifische Transamidierung von Fibronektin mit tritiiertem Serotonin, Noradrenalin und Dopamin erbrachte, dass es außer der Serotonylierung auch noch Noradrenalinylierung und Dopaminylierung gibt, also einen allgemeinen Mechanismus der Monoaminylierung. Die Ergebnisse vermitteln eine neue Funktion von Monoaminen im ZNS, nicht mehr nur als Neurotransmitter, sondern als wichtiger Bestandteil des Aufbaus und der Stabilisierung von Zellen. Die Transglutaminase-mediierte Transamidierung von extrazellulären Proteinen des ZNS, sezerniert sowohl durch Neurone, aber vor allem durch Gliazellen, spielt eine entscheidende Rolle im Aufbau und der Stabilisierung der Extrazellulären Matrix (EZM). Monoamine dienen somit als eine Form von biologischem Kleber („neural glue“), notwendig für die Formation von Proteinnetzwerken, wie es bisher nur für das TGase vermittelte „Crosslinking“ von Proteinen beschrieben war. Die Funktionen der Monoaminylierung für den Aufbau der EZM, als „cross-linker“ zwischen Neuronen- und Glia, nimmt hierdurch auch Einfluss auf die Zell-Zell- und Zell-Matrix-Formation und ihre Interaktion. Die Transamidierung von extrazellulären Proteinen kann somit bei der Stabilisierung bestehender Synapsen, der Synaptogenese, Axonsprossung und schlussendlich auch für die neuronale Plastizität eine wichtige Rolle spielen.

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