Lokalisation des Orphan Carriers SLC10A4 im zentralen und peripheren Nervensystem und seine Koexpression mit den vesikulären Neurotransmitter Transportern VACHT und VMAT2

Abstract

Neurotransmitter Transporter spielen eine zentrale Rolle bei der Weiterleitung von Informa-tionen über Synapsen im zentralen und peripheren Nervensystem. Sie sind essenziell für die Aufnahme der präsynaptisch freigesetzten Neurotransmitter aus dem synaptischen Spalt in das Zytoplasma von Neuronen und Gliazellen sowie die Speicherung in synaptischen Vesikeln. Im Zentrum dieser Arbeit steht Slc10a4, ein Mitglied der Sodium Bile Acid Cotransporter Family (SLC10), welches die höchste Expression im Gehirn verschiedener Spezies aufweist und dort vorwiegend in cholinergen Regionen lokalisiert ist. Aufgrund seiner Zugehörigkeit zu der SLC10 Familie und seinem spezifischen Expressionsmuster liegt die Vermutung nahe, dass es sich bei diesem orphan carrier um einen neuen Neurotransmitter Transporter handelt. Da eine Transportfunktion von Slc10a4 aber bis jetzt noch nicht identifiziert werden konnte, wurde im Rahmen dieser Arbeit die regionale und subzelluläre Expression dieses Proteins untersucht, um durch die genaue Kenntnis der Lokalisation Informationen über eine mögliche Funktion von Slc10a4 zu erlangen. Über die Expression in cholinergen Gehirnregionen hinaus, zeigt Slc10a4 eine Expression in dopaminergen Gehirnregionen wie der Substantia nigra und dem ventralen Tegmentum, wo es mit den monoaminergen Markern Tyrosin Hydroxylase und dem vesikulären Monoamin Transporter VMAT2 kolokalisiert. In der Retina ist Slc10a4 in den synaptischen Verschaltungen der cholinergen Amakrinzellen der inneren plexiformen Schicht mit dem vesikulären Acetylcholintransporter VAChT koexprimiert. Darüber hinaus findet sich im Rückenmark eine deutliche Kolokalisation mit VAChT und Synaptophysin in den Synapsen, welche die Motoneuronen im Ventralhorn kontaktieren. Hier ist Slc10a4 auch in axonalen Strukturen mit VMAT2 koexprimiert. Diese duale Koexpression von Slc10a4 sowohl in cholinergen als auch monoaminergen Neuronen und Nervenfasern zeigt sich durchgehend in allen untersuchten peripheren Organen wie dem oberen Halsganglion, der Harnblase und dem Darm. Darüber hinaus findet sich eine starke Expression von Slc10a4 in der neuromuskulären Endplatte, dem Bronchialepithel und in sekretorischen Vesikeln von Mastzellen. Diese vesikuläre Expression von Slc10a4 zeigt sich auch in den neuronalen Zelllinien PC12 und SH-SY5Y sowie in isolierten Gehirnvesikeln der Ratte. Hier konnte die Expression in verschiedenen Vesikelpopulationen, wie small synaptic vesicles und large dense core vesicles gezeigt werden, wo Slc10a4 ebenfalls mit VAChT, Synaptophysin und VMAT2 koexprimiert wird. Neurotransmitter transporters play a key role for the signal transduction via synapses in the central and peripheral nervous system: they are involved in the rapid clearance of neuro-transmitters from the synaptic cleft by reuptake into neurons and glial cells and are essential for their storage in synaptic vesicles. The present work reports on Slc10a4, a member of the Sodium Bile Acid Cotransporter Family (SLC10) that is highly expressed in cholinergic brain regions of different species. Due to the fact that Slc10a4 is a member of a transmembrane transporter family and based on its specialized neuronal expression pattern, Slc10a4 most likely represents a new neurotransmitter transporter candidate. However, until now a trans-port function of Slc10a4 could not be elucidated. Therefore the aim of the present study was to analyze the regional and subcellular distribution of Slc10a4 to clarify the exact localization of this protein. Based on this knowledge an impression of the particular function of Slc10a4 could be obtained.Beyond the clear expression of Slc10a4 in cholinergic brain regions, Slc10a4 is also expressed in dopaminergic regions like the substantia nigra or the ventral tegmental area, where it is co-localized with the monoaminergic marker proteins tyrosine hydroxylase and the vesicular monoamine transporter VMAT2. In the retina, Slc10a4 is expressed in synapses of cholinergic starburst amacrine cells in the S2 and S4 segment of the inner plexiform layer, where the vesicular acetylcholine transporter VAChT is localized as well. Beyond that, Slc10a4 shows a clear co-localization with VAChT and synaptophysin in presynaptic terminals at the moto-neurons of the ventral horn of the spinal cord, where it also shows a co-expression with VMAT2 in axonal projections. This dual co-expression pattern of Slc10a4 in cholinergic as well as monoaminergic neurons and nerve fibers is also present in all examined organs of the peripheral nervous system like the superior cervical ganglion, urinary bladder and the intestine. Furthermore Slc10a4 shows a strong expression in the neuromuscular endplate, bronchial epithelium and in secretory granules of mast cells. This vesicular expression pattern could also be found in neuronal cells lines as the rat pheochromocytoma PC12 cells and the human neuroblastoma SH-SY5Y cell line. In addition, Slc10a4 is localized in isolated rat brain vesicles, where it is present in small synaptic vesicles as well as large dense core vesicles together with VAChT, synaptophysin and VMAT2.