Der Einfluss des Na+-aktivierten K+-Kanals Slack auf die exzitotoxische Neuronenschädigung

Akute sowie chronische neurodegenerative Erkrankungen zählen zu den führenden Ursachen für Behinderung und Tod weltweit. Exzitotoxische neuronale Schädigungsmechanismen spielen bei diesen Erkrankungen eine zentrale Rolle. Die Exzitotoxizität beschreibt dabei die Schädigung von Neuronen aufgrund der exzessiven Stimulation von hauptsächlich ionotropen NMDA- und AMPA-Glutamatrezeptoren. Der ubiquitär in Neuronen exprimierte Na+-aktivierte K+-Kanal Slack, welcher zur Slo-Genfamilie zählt, stellt ein wichtiger Regulator neuronaler Erregbarkeit dar und ist unter anderem an neuronalen Adaptionsprozessen, der langsamen Nachhyperpolarisation sowie rhythmischen Aktivitätsmustern bestimmter Neurone beteiligt. Aufgrund der hohen intrazellulären Na+-Ionenkonzentration ([Na+]i), die für eine Aktivierung des Slack-Kanals notwendig ist, wurde bereits früh spekuliert, dass Slack unter ischämischen/hypoxischen Bedingungen, die mit hohen [Na+]i einhergehen, von Bedeutung ist. Zudem ist eine direkte Interaktion von Slack-Kanälen mit AMPA-Rezeptoren bekannt. Der AMPA-mediierte Na+-Einstrom führt über die Aktivierung von Slack und dem dadurch vermittelten K+-Ausstrom im Sinne eines negativen Feedback-Mechanismus zur Reduktion der AMPA-induzierten exzitatorischen synaptischen Transmission. Gegenstand der vorliegenden Doktorarbeit war die Aufklärung der neuroprotektiven Wirkung des Slack-Kanals unter exzitotoxischen Bedingungen. Anhand intrastriataler NMDA-Injektionen sowie in vitro Exzitotoxizitätsstudien an primären cerebellären Granularzellen (CGC-Kulturen) konnte die neuroprotektive Rolle von Slack nachgewiesen werden. Weiterführende Untersuchungen zeigten erstmalig, dass Slack auch nach NMDA-Rezeptor-Stimulation aktiviert wird. Konkret führten intrastriatale NMDA-Mikroinjektionen in Slack-defizienten Mäusen zu signifikant größeren Hirnläsionen als in WT-Tieren. Auch in Slack-KO CGC-Kulturen war nach Applikation von Glutamat bzw. NMDA eine größere Zellschädigung als in WT Kulturen zu sehen. Zudem zeigten sich in WT und Slack-KO CGCs Unterschiede in der NMDA-induzierten Gentranskription. So wurde in WT CGC-Kulturen nach NMDA-Stimulation beispielsweise eine selektive Hochregulation der Tyrosinkinase-Rezeptoren TrkB und TrkC beobachtet. Dies bedingte ein gesteigertes BDNF-TrkB Signalling in WT Kulturen, wodurch es nachfolgend zu einer gesteigerten Aktivierung des ERK-Überlebenssignalwegs kam. Zusammengenommen implizieren diese Befunde, dass Slack an der aktivitätsabhängigen Genexpression beteiligt ist und hierüber zumindest einen Teil seiner neuroprotektiven Wirkung vermittelt

Functional coupling of Slack channels and P2X3 receptors contributes to neuropathic pain processing

The sodium-activated potassium channel Slack (KNa1.1, Slo2.2, or Kcnt1) is highly expressed in populations of sensory neurons, where it mediates the sodium-activated potassium current (IKNa) and modulates neuronal activity. Previous studies suggest that Slack is involved in the processing of neuropathic pain. However, mechanisms underlying the regulation of Slack activity in this context are poorly understood. Using whole-cell patch-clamp recordings we found that Slack-mediated IKNa in sensory neurons of mice is reduced after peripheral nerve injury, thereby contributing to neuropathic pain hypersensitivity. Interestingly, Slack is closely associated with ATP-sensitive P2X3 receptors in a population of sensory neurons. In vitro experiments revealed that Slack-mediated IKNa may be bidirectionally modulated in response to P2X3 activation. Moreover, mice lacking Slack show altered nocifensive responses to P2X3 stimulation. Our study identifies P2X3/Slack signaling as a mechanism contributing to hypersensitivity after peripheral nerve injury and proposes a potential novel strategy for treatment of neuropathic pain

BK channels sustain neuronal Ca2+ oscillations to support hippocampal long-term potentiation and memory formation

Mutations of large conductance Ca2+- and voltage-activated K+ channels (BK) are associated with cognitive impairment. Here we report that CA1 pyramidal neuron-specific conditional BK knock-out (cKO) mice display normal locomotor and anxiety behavior. They do, however, exhibit impaired memory acquisition and retrieval in the Morris Water Maze (MWM) when compared to littermate controls (CTRL). In line with cognitive impairment in vivo, electrical and chemical long-term potentiation (LTP) in cKO brain slices were impaired in vitro. We further used a genetically encoded fluorescent K+ biosensor and a Ca2+-sensitive probe to observe cultured hippocampal neurons during chemical LTP (cLTP) induction. cLTP massively reduced intracellular K+ concentration ([K+](i)) while elevating L-Type Ca2+ channel- and NMDA receptor-dependent Ca2+ oscillation frequencies. Both, [K+](i) decrease and Ca2+ oscillation frequency increase were absent after pharmacological BK inhibition or in cells lacking BK. Our data suggest that L-Type- and NMDAR-dependent BK-mediated K+ outflow significantly contributes to hippocampal LTP, as well as learning and memory