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Seminar: Biologie der Drogenabhängigkeit, SS 05
Leitung: Prof. Stephan Frings, PD Dr. Blanche Schwappach
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Das Neuron: Synaptische Transmission und Neurotransmitter
I.Organisation des ZNS:
Das ZNS besteht aus 90 Mio. Neuronen. Es gliedert sich in Gehirn und Rückenmark. Das Rückenmark überträgt sensorische Informationen des Körpers zum Gehirn, moduliert Befehle an die Muskeln und hat autonome Kontrolle über Vitalfunktionen. Das Gehirn besteht aus a) Stammhirn, das aus Medulla, Pons und Mittelhirn besteht. Das Stammhirn reguliert Vitalfunktionen wie Blutdruck, Herzschlag, Verdauung und andere. b) das Cerebellum ist für Bewegung und Körperhaltung zuständig. Es ist stark zusammengerollt und direkt mit dem Hirnstamm verbunden. c) das Diencephalon besteht aus Hypothalamus, Hypophyse, Subthalamus und Thalamus. Von hier aus wird das autonome Nervensystem gesteuert und die Hormonausschüttung kontrolliert. d) das Cerebrum besteht aus zwei Hemisphären, ist außen stark gefaltet und ist für Sinneswahrnehmung, Emotionen und kognitive Funktionen zuständig.
II. Das Neuron:
Das Neuron besteht aus Soma, Dendriten, Axon und Synapse. Das menschliche Gehirn hat 1011 Neurone und 1014 Synapsen. Die Informationsweitergabe zwischen den Neuronen erfolgt durch Neurotransmitter, die nach der Transmission wieder in die Zelle aufgenommen werden oder enzymatisch abgebaut werden.
III. Spezifische Neurotransmitter:
a) Acetylcholin: Cholinerge Regionen sind die septal nuclei, der nucleus basalis und die Mittelhirnregion. Acetylcholin ist am Lernen und Gedächtnis beteiligt.
b)Catecholamine: z.B. Dopamin und Noradrenalin. Die Neurone befinden sich im Stammhirn. Dopamin spielt eine Rolle bei der Regulation von Hormonen und Bewegung .
c) Serotonin: reguliert Körpertemperatur, Schlaf und Sexualverhalten. Kommt vor allem im Stammhirn vor.
d) AS- Transmitter: 1. Glutamat. Kommt in fast allen Neuronen des Gehirns vor und ist erregend. Es ist für Lernen und Gedächtnis zuständig. 2.GABA: wirkt inhibitorisch in Gehirn und Rückenmark.
e) Peptidneurotransmitter: sind kleine Proteine. z.B.Opiode. (Angela Schulz)
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Mechanism of extrasynaptic dopamine signaling in Caenorhabditis elegans
Daniel L Chase, Judy S Pepper & Michael R Koelle
Nature Neuroscience 2004
- Zusammenfassung -
1. Identifizierung des D2 ähnlichen Dopaminrezeptors namens DOP-3
Zuerst wurde eine BLAST-Suche mit Hilfe der Sequenz des humanen D2-Rezeptors durchgeführt. Es wurden 18 vermeintliche Rezeptoren gefunden. Dann hat man die Rezeptoren phylogenetisch miteinander verglichen und herausgefunden, dass DOP-3 DOP-2 ähnelt und diesen Rezeptor für weitere Analysen benutzt und seine Sequenz mit D1- und D2-Rezeptoren verglichen. Es zeigte sich, dass DOP-3 dem D2-Rezeptor mehr ähnelt als D1.
Dann hat man einen Mutanten-Screen für Gene, die für die drei Rezeptoren codieren durchgeführt. Es wurden zwei Mutanten für dop-1 (vs100 und vs101), eine Mutante für dop-2 (vs105)und eine Mutante für dop-3 (vs106) gefunden.
2. Überprüfung der Rezeptormutanten auf Defekte im Dopaminsignaling
Gut gefütterte Wildtyp-Tiere verlangsamen ihre Bewegung, wenn sie auf einen Bakterienrasen stoßen. Dies wird von Dopaminsignalen kontrolliert!
Cat-2 Mutanten können kein Dopamin synthetisieren und verlangsamen ihre Bewegung deshalb nicht. Dop-1 und dop-2 Mutanten zeigen normales Verhalten.
Dop-3 Mutanten zeigen einen kompletten Defekt im „basal-slowing“.
Als nächstes wurde die Verlangsamung bei Tieren überprüft, denen in Kombination alle Rezeptortypen fehlen.
Eine Doppelmutantenanalyse ergab, dass DOP-1 ein Antagonist von DOP-3 ist.
Interessanter Weise zeigt die dop-1 dop-3 Doppelmutante auch eine Lähmung.
3. Analyse von DOP-1 und DOP-3 Expressionsmustern mit fluoreszenzmarkierten Proteinen
Die Analyse ergab, dass Dop-1 in Versorgungszellen und Neuronen im Kopf, im ventralen Nervenstrang und im Schwanz exprimiert wird.
Dop-3 wird ebenso in Neuronen im Kopf, im ventralen Strang und im Schwanz exprimiert, aber die Expressionsmuster überlagern sich nicht!
Erstaunlicherweise auch keine Expression in den Interneuronen, die die Bewegung steuern!
Eine detailliertere Analyse der Expressionsmuster ergab, Dop-1 Reporter in cholinergen Neuronen und dop-3 Reporter in GABAergen Neuronen.
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4. DOP-1 antagonisiert DOP-3 Wirkung in cholinergen Neuronen
Als nächstes wurde getestet, ob cholinerge und GABAerge Neuronen entweder DOP-1 oder DOP-3 exprimieren. Man fand heraus, dass DOP-1 und DOP-3 in cholinergen Neuronen coexprimiert werden.
5. Genetischer Screen nach Dopamin-resistenten Mutanten
Dann wurden Mutanten mit dop-3 Phänotyp (Dopaminresistenz) isoliert.
Man fand 9 unabhängige Dopamin-resistente Stämme.
Die Dopaminresistenz wurde durch Aussetzen der Tiere von 40 mM Dopamin überprüft, wobei die Wildtyp-Tiere gelähmt werden und die Mutanten sich noch bewegen können.
DNA Sequenzanalysen zeigten, dass alle 9 Mutanten Allele von 4 verschiedenen Genen sind (Fehler bei der dop-3 Mutantenisolierung. Der Screen war nicht weit genug, um alle Gene zu identifizieren, die zu einer Dopaminresistenz führen).
6. Mutanten von dem Screen haben einen Defekt im Dopamin-signaling
Die Wissenschaftler wählten eines der Mutantenallele aus, um die Dopaminresistenz mit Hilfe einer Dopamin-Dosis-Antwort-Analyse zu messen.
Die getesteten Mutanten (goa-1, eat-16, dgk-1und gpb-2) waren Dopaminresistent verglichen mit dem Wildtyp (goa-1 gegen alle Dosen resistent GOA-1 verantwortlich für die Lähmung, die durch exogen verabreichtes Dopamin auftritt, die anderen können die Dopaminantwort nur modifizieren).
Dann wurde getestet, ob die Gene auch im endogenen Signaling mitwirken (durch den „basal slowing-Test“).
Dieser Test ergab, dass alle Mutanten, die gegen exogenes Dopamin resistent sind ein signifikant vermindertes „basal slowing“ zeigten.
7. Gα0 wirkt Gαq entgegen, um Dopamin-signaling zu vermitteln
Sie fanden außerdem heraus, dass das Signaling durch GOA-1 (Ortholog von Gα0) das Signaling durch EGL-30 (Ortholog von Gαq) antagonisiert.
Dadurch formulierten sie folgende Hypothese: Mutationen, die Dopaminresistenz hervorrufen, reduzieren entweder GOA-1 signaling oder erhöhen EGL-30 Signaling.
Dies wurde durch einen Dopaminsensivitätstest von egl-30, egl-10, egl-8 Mutanten überprüft. Alle zeigten höhere Sensivität auf exogenes Dopamin im Vergleich zum Wildtyp.
Als letztes testeten sie die Dopaminresistenz von Tieren, die EGL-10 überexprimieren.
Diese zeigten ein stark reduziertes Signaling durch GOA-1, d.h. sie sind auch Dopamin-resistent!
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