Universität zu Köln

Die inhibitorische synaptische Übertragung hängt von der präzisen postsynaptischen Clusterbildung von Glycin- und GABA-Typ-A-Rezeptoren ab, ein Prozess, der durch das multifunktionale Gerüstprotein Gephyrin gesteuert wird. Gephyrin ordnet sich selbst zu quervernetzten Strukturen, die eine Phasentrennung durchlaufen, um die inhibitorische postsynaptische Dichte zu bilden, ein Prozess, der durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen seinen konservierten G- und E-Domänen angetrieben wird. Dennoch sind die molekularen Mechanismen, die diese Selbstorganisation steuern, sowie deren Dysregulation bei neurologischen Erkrankungen noch nicht vollständig verstanden. Diese Dissertation liefert neue strukturelle, biophysikalische und zellbiologische Einblicke in die Gephyrin-Selbstorganisation und identifiziert neuartige Regulationsmechanismen, die über alle Domänen hinweg sowie auf der Ebene posttranslationaler Redoxmodifikationen wirken. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine de novo auftretende pathogene Missense-Variante in der G-Domäne von Gephyrin (G134R) charakterisiert, die bei einer Patientin mit Epilepsie, Entwicklungsverzögerung, Mikrozephalie und Kleinwuchs identifiziert wurde. Biochemische und zelluläre Analysen zeigen, dass G134R die Oligomerisierung höherer Ordnung sowie die Phasentrennung stark beeinträchtigt und die Bildung synaptischer Cluster in Neuronen verhindert. G134R übt zudem einen dominant-negativen Effekt auf Wildtyp-Gephyrin aus und stört die Bildung inhibitorischer Synapsen. Diese Ergebnisse unterstreichen die unverzichtbare Rolle der G-Domäne bei der Selbstorganisation von Gephyrin, verlagern den Fokus weg von der bisher auf die E-Domäne ausgerichteten Sichtweise der Gephyrin-Funktion und decken einen neuartigen molekularen Mechanismus auf, der der Epilepsie zugrunde liegt. Ausgehend von der Beobachtung, dass die Clusterbildung von Gephyrin dynamisch reguliert wird, zeigt der zweite Teil dieser Arbeit, dass oberflächenexponierte Cysteinreste als Redoxschalter fungieren, die die Multimerisierung von Gephyrin und dessen synaptische Lokalisierung steuern. Die Oxidation dieser Reste löst eine reversible synaptische Quervernetzung aus, wodurch die Rezeptorbindungskapazität erhöht und ein Schutz vor proteolytischem Abbau gewährleistet wird. Cys419, das sich an einer für die Phasentrennung wichtigen kritischen Schnittstelle innerhalb der E-Domäne befindet, erweist sich als Schlüsselrest, der die Phasentrennung auf redoxabhängige Weise moduliert. Es wird ferner gezeigt, dass oberflächenexponierte Cysteine für die Aufrechterhaltung einer schnellen Kinetik des inhibitorischen postsynaptischen Miniaturstroms erforderlich sind, wodurch ein direkter Zusammenhang zwischen dem neuronalen Redoxzustand und der Funktion inhibitorischer Synapsen hergestellt wird. Mithilfe der Einzelpartikel-Kryo-EM zeigt diese Arbeit, dass die Dimerisierung der E-Domäne die Bildung von Gephyrin-Filamenten antreibt, in denen benachbarte Dimere über Z-förmige Schnittstellen zwischen ihren Subdomänen II (SDII) miteinander verbunden sind. Die Deletion der SDII, die Ladungsneutralisierung an der Schnittstelle oder die Einführung von epilepsieassoziierten pathogenen Varianten unterbinden jeweils die Filamentbildung, die in-vitro-Phasentrennung und die synaptische Rezeptorclusterbildung in Hippocampusneuronen, wodurch E-Domänen-Filamente als das zentrale strukturelle Gerüst identifiziert werden, das der Gephyrin-Phasentrennung und der Rezeptorclusterbildung zugrunde liegt. Insgesamt trägt diese Arbeit zum mechanistischen Verständnis der Gephyrin-Selbstorganisation und Phasentrennung bei und zeigt auf, wie strukturelle, genetische und metabolische Störungen zusammenwirken, um die Bildung inhibitorischer Synapsen zu regulieren, und wie Störungen dieser Prozesse zu Epilepsie und neurologischen Entwicklungsstörungen beitragen.

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