Frontiers in Cellular Neuroscience

Einführung

Serotonin (5-HT) ist ein chemischer Botenstoff, der aus Tryptophan synthetisiert wird und sich im Laufe der Evolution erhalten hat. Bei Säugetieren wurde 5-HT neben seiner Rolle als Neurotransmitter auch als Regulator der neuronalen Konnektivität während der Entwicklung beschrieben, indem es die Zellmigration und die Zytoarchitektur moduliert (Lauder, 1993). Tatsächlich führen abnormale 5-HT-Spiegel bei Säugetieren zu einer abnormen Morphologie und Verdrahtung des Nervensystems (für eine Übersicht siehe Gaspar et al., 2003). Die bei Erwachsenen beobachteten Veränderungen in den neuronalen Schaltkreisen können mit einer Störung der Wirkung und/oder des Spiegels von 5-HT in wichtigen Entwicklungsphasen zusammenhängen, die jugendliche und erwachsene Menschen für verschiedene psychische Erkrankungen prädisponieren können (Hornung, 2003). So kann eine Reihe von Faktoren, die den 5-HT-Spiegel während der Schwangerschaft verändern können, die Gehirnentwicklung beeinflussen: Veränderungen in der Ernährung, die die Verfügbarkeit von Tryptophan beeinflussen (Serfaty et al., 2008), Stressfaktoren (Papaioannou et al., 2002), Infektionen (Winter et al., 2009) und Antidepressiva, die als Serotonin-Wiederaufnahmehemmer wirken (SSRIs; Xu et al., 2004).

Die Serotoninrezeptoren wurden als 5-HT1A-F, 5-HT2A-C; 5-HT3, 5-HT4, 5-HT5, 5-HT6 und 5-HT7 klassifiziert. Anders als der 5-HT3-Rezeptor, der ionotrop ist (Mattson et al., 2004), sind die übrigen Rezeptoren an verschiedene G-Proteine gekoppelt (Albert und Tiberi, 2001). Angesichts der Vielfalt der 5-HT-Rezeptoren war es bisher schwierig, ihre genaue Rolle bei der Gehirnentwicklung zu definieren, sei es einzeln oder in Kombination mit anderen Rezeptoren. Dennoch zeigen immunhistochemische Studien, dass diese Rezeptoren schon früh während der Embryonalentwicklung exprimiert und postnatal dynamisch reguliert werden, was auf eine zentrale Rolle während der Gehirnentwicklung hindeutet (Gaspar et al., 2003). Im vorliegenden Artikel wird die vorhandene Literatur über die 5-HT1A-Rezeptor (5-HT1AR)-vermittelte Signalübertragung in Neuronen, hauptsächlich im Hippocampus, eingehend untersucht. Es ist wichtig hervorzuheben, dass viele der Signalwege, die mit dem 5-HT1AR verbunden sind, aus Studien in nicht-neuronalen Zellen abgeleitet wurden, was den wichtigen Beitrag dieser Übersichtsarbeit auf dem Gebiet der Neurowissenschaften verdeutlicht.

5-HT1AR-Verteilung im Hippocampus während der Entwicklung und im Erwachsenenalter

Das 5-HT1AR-Transkript wird im fötalen Gehirn von Nagetieren im Stadium E12 nachgewiesen, erreicht ein maximales Niveau bei E15 und reduziert dann schrittweise seine Expression auf niedrige Werte vor der Geburt (E20; Hillion et al., 1993). Die Expression von 5-HT1AR fällt mit der Migration der jungen Neuronen in die entsprechende Neuronenschicht während der Embryonalentwicklung zusammen (Patel und Zhou, 2005). Im Hippocampus beginnen die Neuronen mit der Expression von 5-HT1AR etwa bei E16, also nur 1-2 Tage nach Abschluss der Mitose und vor der Migration in die Laminarschicht (Patel und Zhou, 2005). Im sich entwickelnden Hippocampus wird dieser Rezeptor bei E18 in Interneuronen im Stratum radiatum und Stratum oriens nachgewiesen (Patel und Zhou, 2005). Darüber hinaus wird 5-HT1AR auch im Soma und in den entstehenden Neuriten junger Neuronen nachgewiesen, die gerade das Stratum pyramidale erreicht haben (Patel und Zhou, 2005). Wir haben kürzlich 5-HT1AR mRNA und Protein nach 2 und 3 Tagen in vitro (DIV) in primären Hippocampus-Kulturen von E18-Föten nachgewiesen (Rojas et al., 2014). Darüber hinaus wird die 5-HT1AR während der postnatalen Entwicklung vom Soma zu den basalen und apikalen Dendriten umverteilt; ein Phänomen, das sowohl bei Pyramiden- als auch bei Körnerneuronen des Hippocampus beobachtet wurde (Patel und Zhou, 2005). Interessanterweise wurde in Gehirnneuronen das Ypt1p interacting factor homolog B (Yif1B) als vesikuläres, membrangebundenes Gerüstprotein identifiziert, das direkt mit der C-terminalen Domäne des 5-HT1AR der Ratte interagiert, um den intrazellulären Transport dieses Rezeptors zu den Dendriten zu vermitteln (Carrel et al., 2008). Darüber hinaus ist die somato-dendritische Verteilung von 5-HT1AR, die schon früh im Hippocampus festgestellt wurde, bei erwachsenen Tieren vorherrschend und zeigt auch eine Lokalisierung an dendritischen Dornen (Riad et al., 2000). Darüber hinaus könnte die somatisch-dendritische Umverteilung dieses Rezeptors mit den unterschiedlichen Wirkungen von 5-HT zusammenhängen, d. h. im Soma könnte die Rezeptoraktivierung mit der Regulierung des Zellwachstums durch die Kontrolle der Genexpression und der neuronalen Erregbarkeit verbunden sein, während dieser Rezeptor in den Dendriten die neuronale Morphologie regulieren könnte (Patel und Zhou, 2005). Bei erwachsenen Tieren wird der 5-HT1AR interessanterweise in der subgranulären Schicht des Gyrus dentatus nachgewiesen, und seine Aktivierung erhöht die Proliferation von Körnerzellenvorläufern in diesem Hippocampusbereich (Gould, 1999).

5-HT1AR-Aktivierung moduliert die neuronale Erregbarkeit und die Empfindlichkeit gegenüber Neurotransmittern

Sowohl in Neuronen als auch im Hirngewebe sind nur wenige Signaltransduktionskaskaden im Zusammenhang mit der Aktivität der 5-HT-Rezeptoren beschrieben worden. Serotonerge Fasern breiten sich diffus im Gehirn aus und haben oft keine direkten synaptischen Kontakte; dennoch kann die Freisetzung von 5-HT eine wichtige Rolle bei der Feinabstimmung der neuronalen Kommunikation im Hippocampus spielen (Vizi und Kiss, 1998). Die Aktivität des 5-HT1AR ermöglicht eine modulierende Wirkung durch Veränderung der neuronalen Zündung. Elektrophysiologische Studien haben gezeigt, dass die Stimulation von 5-HT1AR in serotonergen Neuronen der Raphe-Kerne (Autorezeptor) eine Hyperpolarisierung der Zellen und eine Verringerung der 5-HT-Freisetzung bewirkt (Polter und Li, 2010). Darüber hinaus übt die Aktivierung von 5-HT1AR hyperpolarisierende Effekte in Hippocampus-Neuronen aus (Dong et al., 1997; Salgado-Commissariat und Alkadhi, 1997; Tokarski et al., 2002; Tada et al., 2004). Nichtsdestotrotz erzeugt 5-HT1AR-Aktivität im ventralen Hippocampus eine indirekte exzitatorische Reaktion durch die Hemmung der Aktivität von GABAergen Interneuronen, die durch Hyperpolarisation induziert wird (Schmitz et al., 1995b).

Andererseits kann die Glutamatrezeptor-vermittelte Übertragung zwischen CA3- und CA1-Pyramidalneuronen durch 5-HT1AR-Aktivität gedämpft werden (Costa et al., 2012). Die durch 5-HT1AR vermittelte Veränderung der Zellpolarität erfolgt durch die Aktivierung von Gαi/o und die anschließende Freisetzung des βγ-Komplexes, der das Gating von einwärts gleichrichtenden Kaliumkanälen (GIRK; Abbildung 1) auslöst. Interessanterweise fördert die anhaltende Aktivierung der an GIRK gekoppelten 5-HT1ARs im Hippocampus im Gegensatz zur Desensibilisierung von 5-HT1A-Autorezeptoren (Riad et al., 2001) nicht deren Internalisierung (Dong et al., 1998). Demnach scheint die Desensibilisierung von 5-HT1ARs von dem Zelltyp abzuhängen, in dem die Rezeptoren exprimiert werden. Außerdem wurde beschrieben, dass 5-HT1AR die Erregungsübertragung im CA1-Hippocampus der Ratte durch einen mutmaßlichen präsynaptischen Mechanismus, der den Ca2+-Eintrag und die Glutamatfreisetzung reduziert, verringern könnte (Schmitz et al., 1995a).

5-HT1A-Rezeptoraktivierung vermittelt gegensätzliche Effekte auf die Adenylatzyklase-Aktivität in nicht-neuronalen und neuronalen Zellen

Die Verwendung von Transfektionstechniken des menschlichen 5-HT1AR in verschiedenen Zelllinien hat weitere Einblicke in die Assoziation dieses Rezeptors mit spezifischen G-Protein-Transducern und damit verbundenen Signalwegen ermöglicht. In der HEK293-Zelllinie aktiviert die Aktivierung von 5-HT1AR Gαi/o, was zu einer Verringerung des cAMP-Spiegels durch Hemmung der Adenylylcyclase (AC) Typ I führt (Albert et al., 1999; Abbildung 2). Wenn jedoch HEK293-Zellen mit dem 5-HT1AR zusammen mit AC Typ II kotransfiziert wurden, erhöhte der Agonist (8OH-DPAT) den cAMP-Spiegel, eine Wirkung, die durch den Gβγ-Komplex vermittelt wird, der die Enzymaktivität stimuliert (Albert et al., 1999). Ähnliche Effekte wurden in Co-Transfektionsexperimenten mit Hypophysenzelllinien beobachtet (Liu et al., 1999). Interessanterweise führte die Ko-Transfektion mit AC Typ II und Gαi2, nicht aber mit Gαi1, Gαi3 oder Gαo, zu einem agonistenunabhängigen Anstieg der basalen cAMP-Spiegel, was darauf hindeutet, dass die Gαi2-Isoform die konstitutive Aktivierung des Rezeptors fördert (Albert et al., 1999). Im Gegensatz dazu führt das Vorhandensein sowohl von Gαi2 als auch von Gαi3 zu einem verringerten cAMP-Spiegel, was darauf hindeutet, dass die Wirkung von Gαi3 gegenüber der von Gαi2 überwiegt (Liu et al., 1999; Abbildung 2).

In-vivo-Mikrodialyse-Experimente haben gezeigt, dass die systemische Verabreichung von 8OH-DPAT, einem Agonisten, der eine hohe Affinität für 5-HT1AR (0,65 nM) im Vergleich zu 5-HT7R (35 nM; Sprouse et al., 2004), erhöht den Ausfluss von cAMP im ventralen Hippocampus (Cadogan et al., 1994). Die Interpretation dieser In-vivo-Studie ist äußerst komplex, da die systemische Verabreichung von 8OH-DPAT die Beteiligung von 5-HT1AR in den serotonergen Neuronen des Raphe-Kerns (Autorezeptoren) mit sich bringen könnte, die die Freisetzung von 5-HT in den Zielgebieten vermindern könnten. Somit könnte eine Verringerung der 5-HT1AR-Aktivität in mehreren Strukturen, einschließlich des Hippocampus, mit einer verringerten αi-Kopplung an AC Typ I und einer daraus resultierenden Erhöhung des cAMP-Efflusses einhergehen (Abbildung 1). Andererseits ist es wahrscheinlich, dass 8OH-DPAT nicht nur 5-HT1AR, sondern auch das 5-HT7R involviert, das AC aktiviert (Ruat et al., 1993). Die Studie von Cadogan et al. (1994) zeigte jedoch auch, dass der durch 8OH-DPAT induzierte cAMP-Efflux durch eine Vorbehandlung mit WAY-100135 blockiert wird, einem Antagonisten mit hoher Selektivität für 5-HT1AR (IC50 = 15 nM) gegenüber 5-HT1B, 1C, α1- und α2-Adrenozeptor und D2-Rezeptoren (IC50 > 1000 nM; Fletcher et al., 1993). Andererseits wurden einige direkte Bestimmungen der 5-HT1AR-Aktivität in Säugetiermembranen des Meerschweinchens und des Hippocampus der Ratte durchgeführt. Diese Studien ergaben, dass 5-HT und 8OH-DPAT die Produktion von cAMP stimulieren, obwohl die letztgenannte Verbindung eine geringere Wirksamkeit zeigte, was auf den Beitrag anderer Rezeptoren wie des 5HT7R hindeutet (De Vivo und Maayani, 1986). Im Gegensatz dazu zeigte dieselbe Studie, dass 8OH-DPAT die durch Forskolin stimulierte cAMP-Produktion durch einen Rezeptor mit pharmakologischen Eigenschaften von 5-HT1AR reduziert (De Vivo und Maayani, 1986). Darüber hinaus hatte eine längere Exposition von kultivierten Hippocampus-Neuronen gegenüber 8OH-DPAT keinen signifikanten Einfluss auf die 5-HT1AR-induzierte Hemmung der cAMP-Produktion, was darauf hindeutet, dass dieser Rezeptor in diesem Modell nicht desensibilisiert (Varrault et al, 1991).

Den diskutierten Belegen zufolge wird der mit dem 5-HT1AR verbundene Signalweg wahrscheinlich durch die genaue in den Zellen vorhandene Gα-Isoform bestimmt, auch wenn das Vorhandensein anderer G-Protein-Wandler die Signalübertragung auf andere bestehende Wege umlenken kann. In Anbetracht der Tatsache, dass AC Typ II in Soma und Dendriten von Hippocampus-Neuronen stark exprimiert wird (Baker et al., 1999), ist es denkbar, dass der 5-HT1AR in begrenzten Bereichen des Hippocampus den AC-Typ II über den Gβγ-Komplex aktiviert (Abbildung 1), ähnlich wie in der transfizierten HEK-Zelle (Abbildung 2).

5-HT1AR- und MAPK-Aktivierung erfolgt über komplizierte Wege in nicht-neuronalen Zellmodellen

Studien an Ovarialzellen des chinesischen Hamsters (CHO), die mit dem menschlichen 5-HT1AR transfiziert sind, haben gezeigt, dass die Stimulation mit 5-HT und dem 5-HT1AR-Agonisten 8OH-DPAT die Phosphorylierung von ERK fördert (Cowen et al., 1996; Hsiung et al., 2005). Diese Reaktion wurde durch Pertussis-Toxin blockiert, was die Beteiligung von Gαi und Gαo bestätigte (Cowen et al., 1996; Garnovskaya et al., 1996; Hsiung et al., 2005). Die 5-HT1A-vermittelte MAPK-Aktivierung in CHO-Zellen wird durch spezifische 5-HT1AR-Antagonisten (Cowen et al., 1996; Errico et al., 2001) oder dominant-negative Mutanten von GRK, β-Arrestin und Dynamin blockiert; Proteine, die an der Agonisten-induzierten Rezeptor-Endozytose beteiligt sind (Della Rocca et al., 1999). Darüber hinaus wird in CHO-1A-27 der durch 5-HT induzierte Anstieg des Phospho-ERK1/2-Spiegels durch die Zugabe eines intrazellulären Kalziumchelators (BAPTA) und durch Phenothiazin, einem Inhibitor von Calmodulin (CaM), verhindert, was die Beteiligung von Ca2+/CaM zeigt (Della Rocca et al., 1999; Abbildung 2). Darüber hinaus reagiert die ERK1/2-Aktivierung empfindlich auf die Hemmung von Kinasen vom Typ Src (Garnovskaya et al., 1998). In CHO-Zellen ist an der durch 5-HT1AR vermittelten ERK-Aktivierung die βγ-Untereinheit als Transduktor beteiligt (Garnovskaya et al., 1996). Die durch die 5-HT1AR-Aktivität induzierte Freisetzung von βγ-Untereinheiten löst die Bildung eines multimolekularen Komplexes aus, zu dem Grb2, p46Shc und p52Shc gehören und der für die Aktivierung des Austauschfaktors Son-of-sevenless (SOS) erforderlich ist, der wiederum den Ras/Raf/MEK-Weg aktiviert (Garnovskaya et al., 1996; Abbildung 2). Ebenso reduziert die Hemmung von CaM die Aktivität der Src-Tyrosinkinase und der kleinen GTP-Aase Ras, nicht aber die der Raf-Kinase und der Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MEK; Della Rocca et al., 1999). Diese Beweise deuten darauf hin, dass der Ca2+/CaM-Komplex nach der Ras-Aktivierung, aber vor der Raf- und MEK-Aktivierung erforderlich ist (Della Rocca et al., 1999; Abbildung 2). Es wurde festgestellt, dass die dritte Schleife des 5-HT1AR zwei Bindungsstellen für CaM enthält (Turner et al., 2004); eine Interaktion, die in HEK293-Zellen die CaM-induzierte Clathrin-vermittelte Endozytose des 5-HT1AR vermittelt, ein Schritt zur Aktivierung von MEK und ERK (Della Rocca et al., 1999; Abbildung 2). Somit ist der Mechanismus, durch den 5-HT1AR den RAS-MAPK-Signalweg durch Gβγ aktiviert, noch ungewiss; er scheint die Rekrutierung von GRK zur Phosphorylierung des Rezeptors und sowohl die β-Arrestin-vermittelte Internalisierung als auch die Aktivierung Src-ähnlicher Kinasen nach der Internalisierung des Rezeptors zu beinhalten.

In CHO-Zellen ist die 5-HT1AR-induzierte Aktivierung von ERK mit der Beteiligung von Phosphatidylcholin-spezifischer Phospholipase C (PC-PLC) und Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K; Cowen et al, 1996; Garnovskaya et al., 1996, 1998; Hsiung et al., 2005). Bei demselben Zelltyp haben Studien gezeigt, dass 5-HT1AR-Agonisten die durch Serumentzug induzierte Aktivierung von Caspase-3 verhindern, ein Phänomen, das mit der Aktivierung der PI3K-PKB (Akt)- und ERK-Wege verbunden ist (Hsiung et al., 2005; Abbildung 2). Darüber hinaus zeigte dieselbe Studie, dass die PI3K-Akt-Aktivität den Abbau von IKBα fördert, einem Protein, das die Transkriptionsaktivität des Nuklearfaktors κB (NF-κB) hemmt, indem es im Zytosol verbleibt und anschließend NF-κB in den Zellkern verlagert (Hsiung et al., 2005; Abbildung 2).

5-HT1AR und MAPK-Engagement in neuronalen Zellen: Mögliche Bedeutung für die neuronale Morphologie

Studien an der immortalisierten HN2-5-Zelllinie des Hippocampus, die das 5-HT1AR überexprimiert, zeigten, dass die Stimulation mit 8OH-DPAT die Phosphorylierung von ERK langsam erhöht, und zwar über einen Mechanismus, der die Aktivierung des Gαi/o-Proteins und von PI3K beinhaltet (Adayev et al., 1999; Abbildung 1). Darüber hinaus aktiviert das 5-HT1AR in HN2-5-Zellen PLCβ und erhöht den Ca2+-Spiegel, was zu PKCα- und ERK-Aktivierung und zur Hemmung der Caspase-3-Aktivierung und Apoptose führt (Adayev et al., 1999, 2003; Abbildung 1).

Die Aktivierung von ERK1/2 und der PI3K/PKB-Signalwege reguliert nicht nur die neuronale Differenzierung und das Überleben, sondern steuert auch das Wachstum und die Verzweigung von Neuriten durch Modulation der Reorganisation des Zytoskeletts (Kim et al., 2004; Jaworski et al., 2005; Kumar et al., 2005). Einige Studien haben gezeigt, dass ein 5-HT-Entzug in der frühen postnatalen Periode (P3) zu einer Verringerung der Dendritenlänge und der Stacheldichte der Körnerneuronen des Hippocampus führt und dass diese Effekte durch die Verabreichung eines 5-HT1AR-Agonisten verhindert werden (Yan et al., 1997). In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen erhöht die Stimulation des 5-HT1AR im Hippocampus von Mäusen in organotypischen Kulturen des Hippocampus in der postnatalen Periode (P15) – die mit dem Höhepunkt der Synaptogenese zusammenfällt – die dendritische Stacheldichte und die Synapsenbildung durch eine sequentielle Aktivierung von ERK1/2 und PKC (Mogha et al., 2012); der genaue Mechanismus ist jedoch noch nicht charakterisiert. In-vitro-Studien haben gezeigt, dass eine 5-HT1AR-Aktivierung sowohl die Anzahl als auch die Länge von Neuriten im Neuroblastom der Maus erhöht (Fricker et al., 2005). Unsere kürzlich veröffentlichte Studie mit Primärkulturen des Hippocampus von Ratten hat gezeigt, dass die Stimulation von 5-HT1AR bei 2 DIV das Wachstum von sekundären Neuriten fördert (Rojas et al., 2014). Die molekularen Mechanismen, die der durch 5-HT1AR vermittelten Regulierung des Neuritenauswuchses zugrunde liegen, müssen noch aufgeklärt werden.

Außerdem erhöht die pharmakologische in vivo-Blockade von 5-HT1AR mit WAY-100635 während 3-5 Wochen der postnatalen Entwicklung die Verzweigungspunkte des apikalen Dendritenbaums in CA1-Neuronen signifikant (Ferreira et al., 2010). Darüber hinaus wurde in einer Primärkultur des Mäusehippocampus (5 DIV) beschrieben, dass die Stimulation mit 5-HT die Depolymerisation von filamentösem Aktin im Zapfenwachstum fördert, ein Effekt, der bei WT-Mäusen, aber nicht bei KO-Mäusen für 5-HT1AR beobachtet wurde (Ferreira et al., 2010). Daher wurde vermutet, dass 5-HT1AR die Aktindynamik reguliert und das dendritische Wachstum einschränkt und somit die neuronale Konnektivität während eines bestimmten Entwicklungszeitraums moduliert (Ferreira et al., 2010). Insgesamt betrachtet, fördert 5HT1AR die Synapsenbildung, schränkt aber die Dendritenverzweigung ein.

Aktivierung des 5-HT1AR in nicht-neuronalen und neuronalen Zellen und seine Beziehung zum PI3K-AKT-GSK-3β-Weg

Die systemische Verabreichung von 8OH-DPAT bei Mäusen erhöht die Phosphorylierung an Thr308 und in geringerem Maße an Ser473 von Akt im Hippocampus (Polter et al, 2012). Diese Veränderungen korrelierten mit einer Zunahme der inaktivierenden Phosphorylierung von GSK-3β (9Ser; Leemhuis et al., 2004; Polter und Li, 2011), Effekte, die durch den spezifischen 5-HT1AR-Antagonisten WAY-100635 abgeschwächt werden. Die Interpretation von In-vivo-Studien ist kompliziert, da die systemische Verabreichung sowohl die Aktivierung von Autorezeptoren an serotonergen Neuronen im Raphe-Kern als auch von Heterorezeptoren in anderen Strukturen als dem Hippocampus betreffen kann. Daher ist es möglich, dass Veränderungen in der Phosphorylierung von GSK-3β das Produkt des Beitrags indirekter Effekte von 5-HT-Rezeptoren sind, die sich in verschiedenen Hirnbereichen befinden. Interessanterweise reguliert die GSK-3β-Aktivität die Aktivität mehrerer Mikrotubuli assoziierter Proteine (MAPs) und kann während der Entwicklung das Wachstum und die Führung von Axonen steuern, ein Prozess, der die Dynamik von Mikrotubuli erfordert (Garrido et al., 2007). Der kausale Zusammenhang zwischen der Aktivierung von 5-HT1AR und der Phosphorylierung von Akt und GSK-3β ist in kultivierten Neuronen nicht vollständig dokumentiert worden. In Hippocampus-Neuronen von 5-7 DIV erhöhen 5CT, 8OH-DPAT und 5-HT die Phosphorylierung von Akt an Ser473 (Cowen et al., 2005). In einer reiferen Hippocampus-Kultur (17 DIV) erhöht die Stimulation mit 5-HT oder 8OH-DPAT die Phosphorylierung von Akt an Ser473 und steigert die Phospho-GSK3β (Chen et al., 2007). Interessanterweise wurde berichtet, dass 5-HT1AR die mitochondriale Bewegung in Axonen von Hippocampus-Neuronen bei 17 DIV fördert, und dieser Effekt wird durch die Hemmung von GSK-3β vermittelt, die durch Akt gefördert wird (Chen et al, 2007; Abbildung 1).

Obgleich die bisherigen Erkenntnisse auf einen Zusammenhang zwischen der Aktivierung von 5-HT1AR und der Akt-Phosphorylierung hindeuten, ist noch unklar, ob dies von der Aktivität von PI3K in ähnlicher Weise abhängt wie in CHO-Zellen beschrieben (Hsiung et al., 2005; Abbildung 2). Im Hippocampusgewebe wird das 5-HT1AR jedoch über Gαi/0 übertragen, und daher ist es wahrscheinlich, dass der βγ-Komplex nicht nur die neuronale Aktivität über GIRK reguliert, sondern auch PI3K aktiviert und die Phosphorylierung von Akt anregt, wie dies in nicht-neuronalen Zelllinien gezeigt wurde. Es wird wichtig sein, in neuronalen Kulturen die kausale Beziehung zwischen PI3K- und Akt-Aktivierung und ihren nachgeschalteten Effektoren je nach der besonderen 5-HT1AR-Verteilung in Neuronen zu bestimmen. Darüber hinaus wurde in kortikalen Primärkulturen der Ratte berichtet, dass die 5-HT1AR-Aktivierung eine Destabilisierung der Mikrotubuli fördert, was den Transport von Vesikeln, die die NR2B-Untereinheiten des NMDA-Rezeptors enthalten, zu den Dendriten verringert und somit die Kanalleitfähigkeit reduziert (Yuen et al., 2005). Diese Beweise deuten darauf hin, dass 5-HT1AR die Reorganisation der Mikrotubuli und den Transport von Organellen und Rezeptoren regulieren kann.

5-HT1AR bildet Komplexe mit GPCRs: A Mechanism to Modulate Its Signaling

In mehreren Berichten wurde beschrieben, dass eine Vielzahl von GPCRs, die in rekombinanten Zellsystemen exprimiert werden, Homodimere und Heterodimere bilden können. Einige Belege deuten darauf hin, dass sich GPCR-Dimer/Oligomer-Spezies in mehreren Aspekten von den nicht-assoziierten Rezeptoren unterscheiden können, darunter Ligandenbindungsaffinität und pharmakologisches Profil, G-Protein-Kopplung, Rezeptortransport und Desensibilisierung (Milligan, 2007). Es wurde beschrieben, dass 5-HT1AR in transfizierten HEK 293-Zellen konstitutiv Homodimere bildet; der Agonist begünstigt jedoch die Interaktion von Monomeren, während die Anwesenheit eines Antagonisten die Dimerbildung reduziert (Łukasiewicz et al., 2007). Interessanterweise kann der 5HT1AR auch Heterodimere mit mehreren GPCRs bilden, wodurch neue Rezeptorspezies entstehen, die sich im Vergleich zu Einzelrezeptoren anders verhalten können. So löst beispielsweise die Stimulation von Zellen, die entweder 5-HT1AR- oder mu-Opioid-Rezeptoren exprimieren, mit spezifischen Agonisten in beiden Fällen die Aktivierung der MAPK-Kaskade aus, die nach 30 Minuten Stimulation wieder desensibilisiert. Wenn jedoch beide Rezeptoren gemeinsam exprimiert werden, hemmt die Aktivierung eines Rezeptors im 5-HT1AR/μ-Opioid-Heterodimer die MAPK-Aktivierung des anderen Rezeptors (Cussac et al., 2012). Andererseits ergaben biochemische Untersuchungen an Neuroblastom-Zellen N1E-115, dass 5-HT1AR Dimere und Homo-Oligomere bildet, wobei Dimere die vorherrschende Spezies an der Plasmamembran sind (Kobe et al., 2008; Woehler et al., 2009). Darüber hinaus wird die Kinetik der Dissoziation oder Assoziation von 5-HT1AR-Dimeren zu Homo-Oligomeren hoher Ordnung nicht durch die Ligandenbindung beeinflusst (Kobe et al., 2008). So wurde beispielsweise die spezifische Bildung von 5-HT1AR-5-HT7R-Heterodimeren durch Co-Immunpräzipitation und Forster-Resonanzenergietransfer (FRET)-Ansätze in transfizierten N1E-115-Zellen mit markierten Rezeptoren nachgewiesen (Renner et al., 2012). Darüber hinaus zeigte diese Studie, dass, wenn beide Rezeptoren in ähnlichen Mengen exprimiert werden, die Bildung von 5-HT1AR-5-HT7R-Spezies im Vergleich zum 5-HT1AR-5-HT1AR-Homodimer begünstigt wird (Renner et al., 2012). Funktionelle Analysen mittels rekombinanter Proteinexpression in Xenopus-Oozyten zeigten, dass die Koexpression von 5HT1AR und 5HT7R die 5-HT1AR-vermittelte Aktivierung von Gαi und GIRK-Kanalaktivität verringert, ohne die 5-HT7R-vermittelte Aktivierung von Gs zu beeinträchtigen (Renner et al., 2012). Diese Studie zeigte auch, dass beide Rezeptoren in kultivierten Hippocampus-Neuronen endogen exprimiert werden und dass nach dem Knock-down von 5-HT7R mit siRNA die GIRK-Aktivität durch einen 5-HT1AR-Agonisten reduziert wird (Renner et al., 2012). Dieser Nachweis und die gemeinsame Ausfällung beider Rezeptoren in Hirnlysaten (Renner et al., 2012) deuten auf eine negative Regulierung der 5-HT1AR-Signalübertragung durch die Anwesenheit von 5-HT7R hin. Darüber hinaus lässt die Feststellung, dass 5-HT1AR während der Entwicklung seine Expression und Verteilung variiert (d. h. somato-dendritische Verschiebung; Patel und Zhou, 2005) und dass 5-HT7R seine Expression reduziert (Kobe et al., 2012), liegt die Vermutung nahe, dass in vivo der Anteil der heterodimeren Rezeptoren variiert, was sich auf die durch den 5-HT1AR vermittelte 5HT-Signalgebung auswirken kann.

Abschließende Bemerkungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mehrere Studien die Kopplung von 5-HT1AR mit verschiedenen Signaltransduktionswegen in heterologen Systemen gezeigt haben und nur wenige dieser Wege in neuronalen Systemen untersucht wurden, wo sie hauptsächlich mit der neuronalen Entwicklung, der neuronalen Erregbarkeit und dem Überleben in Verbindung stehen. Außerdem ist es wahrscheinlich, dass somatische Rezeptoren an der Aufrechterhaltung des neuronalen Überlebens, der Kontrolle der Genexpression und der neuronalen Erregbarkeit beteiligt sind. Im Gegensatz dazu stehen die in den Dendriten befindlichen Rezeptoren in engerem Zusammenhang mit dem dendritischen Wachstum und der Verzweigung. Weitere Studien sind erforderlich, um die an 5-HT1AR gekoppelten hirnregions- und neuronal-spezifischen Signalmechanismen und ihre Modulation durch Heterodimerisierung mit anderen Rezeptoren aufzuklären, Effekte, die bei den Wirkungen von 5-HT während der Entwicklung und auch bei einigen Stimmungsstörungen eine zentrale Rolle spielen könnten.

Autorenbeiträge

PSR und JLF haben das Manuskript verfasst und bearbeitet.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom Fondo Central de Investigación, Universidad de Chile, unterstützt; Promotionsstipendium von CONICYT. Die Autoren danken Dr. Ana María Avalos für das Korrekturlesen des Artikels.