Der strychninsensitive Glycinrezeptor, ein ligandengesteuerter Chloridkanal der postsynaptischen Membran, ist ein wichtiger Vermittler synaptischer Inhibition im ZNS. Glycin ist vor allem an der neuronalen Regulation des Muskeltonus durch Zentren in Rückenmark und Hirnstamm beteiligt. Glycinerge Hemmung trägt auch zur Ausbildung des Atemrhythmus in den respiratorischen Zentren des Hirnstamms bei. In extrapyramidal-motorischen Regionen wie dem Caudatum und Putamen sind Glycinrezeptoren ebenfalls an der Vermittlung inhibitorischer Impulse beteiligt, ebenso bei Nociception und entzündlichen Veränderungen des peripheren Nervensystems. An die Symptomatik einer subletalen Strychninvergiftung – das Alkaloid Strychnin ist ein hochaffiner und selektiver Ligand des Glycinrezeptors – erinnern das neurologische Krankheitsbild der Glycinrezeptor-assoziierten Bewegungsstörung Hyperekplexie (Startle-Disease, Stiff-Baby-Syndrome) sowie die Phänotypen von Mausmutanten mit Glycinrezeptordefekten. Die familiäre Form der Hyperekplexie ist durch exzessive Schreckreaktionen (startle reactions) und episodische Muskelsteifheit charakterisiert.

Glycinrezeptoren sind eine Proteinfamilie aus mehreren Isoformen, die aus einzelnen ligandenbindenden α-Untereinheiten (α1-4) und einer strukturellen β-Untereinheit bestehen. Der reife Rezeptor ist ein Proteinkomplex aus fünf Untereinheiten, die den zentralen Ionenkanal umgeben. Die Topologie jeder Untereinheit entspricht dem Bauprinzip der ligandengesteuerten Ionenkanäle vom Typ des nikotinischen Acetylcholinrezeptors: Auf eine N-terminale Domäne, die Determinanten für die Glycin- und Strychninbindung trägt, folgen vier Transmembranregionen (TM 1-4). TM 2 bildet eine α-helikale Sekundärstruktur aus und begrenzt den Anionenkanal. Prominente Oberflächenladungen an den Kanalmündungen dienen als Selektivitätsfilter. Eine große (ca. 90 Aminosäuren) intrazelluläre Schleife zwischen Transmembransegment TM3 und TM4 dient der intrazellulären Modulation der Rezeptorfunktion.

Die topologische Organisation der einzelnen Rezeptoruntereinheit erlaubt es, definierten Domänen bestimmte Teilschritte der Funktion des Glycinrezeptors zuzuordnen. Im Falle der Hyperekplexie zeigen Mutationen – abhängig von der Position des Aminosäureaustauschs – Auswirkungen auf Biogenese, Ligandenbindung, Chloridleitfähigkeit oder Desensitisierungsverhalten des Rezeptorkanals. Die in TM 1 gelegene Mutation α1(S231R) interferiert mit dem Einbau der α1-Untereinheit in die Plasmamembran. In der intrazellulären Schleife zwischen den TM 1 und 2 liegt der Aminosäureaustausch α1(P250T), der zu einer reduzierten Kanalleitfähigkeit und dramatisch beschleunigter Desensitisierung führt. In Zusammenarbeit mit dem Computer Chemie Centrum (CCC, Universität Erlangen-Nürnberg) wird die Konformation dieser Domäne durch Computer-Modelling untersucht. Darüberhinaus zeigte sich, daß die Allelvarianten des Glycinrezeptors unterschiedliche Reaktionen auf Alkohole und Anästhetika aufweisen. Hyperekplexievarianten des Glycinrezeptors, bei denen insbesondere Aminosäuren mit basischer Seitenkette betroffen sind, weisen ein gestörtes Assemblierungsverhalten auf und werden im endoplasmatischen Retikulum zurückgehalten. Zur Heterogenität des Glycinrezeptors tragen nicht nur Untereinheiten- und Allelvarianten, sondern auch Spleißvarianten bei. So konnten wir zwei Spleißvarianten der α3-Untereinheit identifizieren, die sich durch eine Insertion zwischen TM 3 und 4 und ihre Desensitisierungskinetik unterscheiden. Bei der Ontogenese der glycinergen Synapse ist eine Grundaktivität des Rezeptors zur Ausbildung des kompletten synaptischen Apparats erforderlich. Damit erklärt sich die Diskrepanz zwischen beobachtetem Phänotyp einer dominanten Hyperekplexie-Mutation, und deren rezessive Charakteristik im rekombinanten System, die durch eine Koexpressionsstudie aufgeklärt werden konnte. Von der β-Untereinheit des Glycinreceptors sind ebenfalls Spleißvarianten bekannt, denen jeweils ein Exon fehlt und erstmals in Gliazellen identifiziert wurden. Ob diese Spleißvarianten in der Lage sind, zur Kanalfunktion trotz Fehlens eines Exons beizutragen, wird derzeit untersucht. Regulatorische Mechanismen der Glycinrezeptorexpression konnten an neuronal entarteten Zellen des kleinzelligen Lungenkarzinoms aufgeklärt werden. Synthetische Arbeiten legten die Grundlage zur Darstellung und Charakterisierung neuer photoaktivierbarer Glycinrezeptorliganden.

Die neurologischen Mausmutanten spastic, spasmodic und oscillator weisen ebenfalls Glycinrezeptordefekte auf. Die spastische Maus trägt eine Insertionsmutation im Glrb-Gen, wobei ein intronisches LINE-1-Element zu einem Spleißdefekt mit dramatischen Rezeptorverlusten führt. Studien an verschiedenen Mausstämmen zeigen, daß der spastische Phänotyp trotz eines identischen Mutantenallels erheblich variieren kann. Auf welchem Wege der Phänotyp durch Hintergrundgene moduliert wird, ist Gegenstand laufender Studien. Die Mutanten spasmodic und oscillator tragen pathologische Glra1-Allele. Diese Mausstämme stellen ein wichtiges Modell zur Untersuchung der glycinergen Funktion in vivo dar und dienen als Therapiesysteme für den neuronenspezifischen Gentransfer.
Neben Glycinrezeptordefekten konnte auch der molekulare Pathomechanismus einer epileptisch/ataktischen Maus aufgeklärt und auf die Mutation des spannungsgesteuerten Ca2+-Kanals zurückgeführt werden.

Glutamat ist der häufigste exzitatorische Neurotransmitter des zentralen Nervensystems einschließlich der Netzhaut. NMDA-Rezeptoren stellen eine Untergruppe der synaptischen Glutamatrezeptoren dar, deren Untereinheiten drei Genfamilien umfassen. Über die Komplexstruktur der Isoformen dieses wichtigen Rezeptorproteins und deren Expressionsmuster im Nervensystem und der Retina ist noch sehr wenig bekannt. Während der Entwicklung treten altersabhängige Veränderungen der Untereinheitenzusammensetzung des Rezeptorkomplexes auf, die in Gehirn und Retina zu funktionell unterschiedlichen Rezeptorpopulationen führen. Untersuchungen mit Hilfe von Antikörpern gegen synthetische NMDA-Rezeptor-Peptide zeigen, daß der NMDA-Rezeptor als ein oligomerer Komplex mit einem Molekulargewicht von bis zu 690 kDa existiert. Über die Funktion als glutamatgesteuerter Kationenkanal der Synapse hinaus scheint der NMDA-Rezeptor auch an der extraneuralen Signalübertragung beteiligt zu sein. Eine massive Expression der NR2B-Variante des NMDA-Rezeptors fand sich im Myokard der embryonalen Ratte, wo das Rezeptorprotein mit intrazellulären Membranen assoziiert zu sein scheint. Erste Hinweise deuten auf eine möglichliche Beteiligung kardialer NMDA-Rezeptoren an der Calciumregulation des embryonalen Herzmuskels hin.

Als Modell des neuronalen Zelltods dient uns die Induktion des neuronalen Zelluntergangs durch Toxinfraktionen der taiwanesischen Grubenotter Bungarus multicinctus. β-Bungarotoxin bindet sich selektiv an neuronale Zellen und ist ein extrem effizienter Induktor des neuronalen Zelltodes (EC50 < 10-12 M). Nach Bindung von β-Bungarotoxin an spannungsgesteuerte K+ -Kanäle internalisiert dieser Komplex innerhalb weniger Minuten, und löst die charakteristischen Merkmalen des apoptotischen Zelltodes aus. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. A. Konnerth (Institut für Physiologie, Universität München) konnten wir zeigen, dass β-Bungarotoxin einen drastischen und anhaltenden Anstieg des intrazellulären Ca2+ in neuronalen Zellen verursacht. Als entscheidende Signale für den Untergang der geschädigten Neurone konnten wir die durch β-Bungarotoxin induzierte Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration, die Generierung freier Radikale, eine Peroxidation von Lipiden in der neuronalen Zellmembran sowie die Akkumulierung der Phospholipidhydroxyperoxide identifizieren. Dabei gelang es, den apoptotischen Zelltod der geschädigten Nervenzellen durch membrandurchlässige Ca2+-Chelatoren, sowie durch Radikalfänger nahezu vollständig zu blockieren. Die Untersuchung des β-Bungarotoxin-induzierten Zelltodes in primären Hippokampuskulturen hat das Verständnis molekularer Pathomechanismes bei Neurodegeneration deutlich verbessert.

Die Kontamination von Lebensmitteln durch Gewebsanteile des ZNS gilt als Riskofaktor für die Übertragung der spongiformen Neurodegeneration. Daher werden ZNS-spezifische Antikörper und hochsensitive Extraktionsprotokolle generiert, die zur Etablierung eines hochaffinen Immunnachweises zur Detektion von ZNS-Kontaminationen in Lebensmitteln beitragen.

Die Bedeutung molekularer Heterogenitäten auf DNA- und Protein-Nievau in den letzten Jahren ständig gestiegen. Die Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionization Flugzeit (matrix-assisted laser desorption/ ionization time-of-flight, MALDI-TOF) Massenspektrometrie (MS) stellt eine Methode zur Bestimmung der molekularen Masse von Biomolekülen dar. Durch die hohe molekularen Auflösung, Genauigkeit, Sensitivität, und der prinzipiellen Hochdurchsatzfähigkeit kann MALDI-TOF-MS sinnvoll zur Analyse molekularer Heterogenitäten eingesetzt werden.