Amygdala gene expression of NMDA and GABAA receptors in patients with mesial temporal lobe epilepsy

Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common form of partial epilepsy and affects 40% of the patients. Seizures arising from the mesial temporal lobe structures (i.e., amygdala and hippocampus) are common, whereas neocortical seizures are rare. In recent years, many studies aimed to identify the pattern of gene expression of neurotransmitters involved in molecular mechanisms of epilepsy. We used real-time PCR to quantify the expression of GABAA (subunits a1, beta 1, beta 2) and NMDA (subunits NR1, NR2A, and NR2B) receptor genes in amygdalae of 27 patients with TLE and 14 amygdalae from autopsy controls. The NR1 subunit was increased in patients with epilepsy when compared with controls. No differences were found in expression of NMDA subunits NR2A and NR2B or in a1, beta 1, and beta 2 subunits of GABAA receptors. Our results suggest that the NR1 subunit of NMDA receptors is involved in the amygdala hyperexcitability in some of the patients with TLE. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc., Inc.

Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen

Titel: Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen In der vorliegenden Arbeit wurde ein biochemisches Testsystem etabliert, mit dem es möglich ist, die Freisetzung der Aminosäure-Neurotransmitter Glutamat und GABA aus neuronalem Gewebe auf dem Vielzellniveau zu untersuchen. Der qualitative und quantitative Nachweis der beiden Neurotransmitter erfolgte mit Hilfe der Reversed-Phase-Hochleistungsflüssigkeits-Chromatographie mit Fluoreszenzdetektion. Mit dem Testsystem wurden zwei Untersuchungsreihen durchgeführt: 1.) Es wurde der Einfluss des nAChR-Agonisten Nikotin und des allosterisch an nAChR wirkenden Liganden Galanthamin auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus Zellen serumfreier hippocampaler Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der für einzelne hippocampale Zellen beschriebene positiv modulatorische Effekt von Nikotin auf die glutamaterge und GABAerge Neurotransmission auch auf dem Vielzellniveau über die Neurotransmitterfreisetzung nachweisbar ist. Desweiteren konnte erstmals gezeigt werden, dass die Nikotin-modulierte Glutamat- und GABA-Freisetzung durch den allosterisch wirkenden nAChR-Liganden Galanthamin signifikant beeinflusst wird. 2.) Es wurde der Einfluss einer LTP-ähnlichen Glutamatpotenzierung auf die GABA-Freisetzung aus serumfreien hippocampalen Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hippocampale Neuronen in potenziertem (= vorstimuliertem) Zustand auf einen zweiten Glutamat-Stimulus mit einer verringerten GABA-Freisetzung reagieren. Dieser Effekt wird im Wesentlichen über die ionotropen Glutamatrezeptoren vermittelt.

Charakterisierung funktioneller Domänen für GABA und Furosemid auf GABA A-Rezeptoren

ZUSAMMENFASSUNGDie schnelle inhibitorische Neurotransmission im Säugerhirn ist wesentlich GABA-erg vermittelt.Neben GABA binden u.a. Picrotoxinin und TBPS (tert-Butylbicyclophosphorothionat) am GABAA-Rezeptor. Die Bindung von [35S]TBPS wird durch alle am GABAA-Rezeptor bindenden Substanzen moduliert. Zur Untersuchung der GABAA-Rezeptor-Funktionen wurden TBPS-Bindungsstudien an rekombinant exprimierten Rezeptoren in vitro und nativen Rezeptoren in situ verwendet.Die alpha-Untereinheiten spielen bei der gehirnarealspezifischen Auswirkungen verschiedener GABA-Mimetika, der Charakterisierung subtypspezifischer Substanzen und der Ausprägung der GABA-Sensitivitäten eine große Rolle. Für die Detaillierung der höheren GABA-Sensitivität alpha6-enthaltender Rezeptoren wurden Chimären und Punktmutationen zwischen den Untereinheiten alpha1 und alpha6 hergestellt. Nach Austausch des Asparagins 188 in der alpha1-Untereinheit durch das alpha6-entsprechende Lysin zeigten Rezeptoren in Kombination mit den Untereinheiten beta3 und gamma2 eine erhöhte GABA-Sensitivität gegenüber dem Wildtyp. Dementsprechend wiesen alpha6-enthaltende Rezeptoren mit der umgekehrten Punktmutation L187N eine geringere GABA-Sensitivität auf. Furosemid wirkt ausschließlich auf alpha6beta2/3-enthaltende GABAA-Rezeptors GABA-agonistisch. [35S]TBPS-Bindungsstudien an chimären alpha1/alpha6-Rezeptoren weisen auf eine niedrigpotente Bindungsstelle für Furosemid im extrazellulären Sequenzabschnitt zwischen der Aoc I-Schnittstelle und der TM3-Region hin. Die Substanz 4 PIOL zeigte subtypspezifischen Charakter am GABAA-Rezeptor. In den [35S]TBPS-Autoradiographien und den Bindungsstudien an Membranen wirkte 4 PIOL auf alpha6-enthaltende Rezeptoren schwach GABA-mimetisch bzw. agonistisch, in den [35S]TBPS-Bindungsstudien an alpha6-enthaltenden rekombinanten Rezeptoren schwach negativ modulatorisch oder antagonistisch.

Specific PET-ligands for selected 5-HT and GABA A-receptor subtypes = PET-Liganden mit Spezifität für definierte 5-HT und GABA A-Rezeptor-Subtypen

Für diese Arbeit wurden sechs neue Benzodiazepinderivate, TC07, TC08, TC09, TC10, TC11 und TC12, hergestellt. Diese wurden mittels Radioligandenbindungsassay sowohl auf ihre Bindungseigenschaften für Membranen des Cerebellum, des Hippo-campus und des Cortex der Ratte hin untersucht, als auch für Membranen von HEK293 Zellen, die transient rekombinante GABAA Rezeptoren exprimierten. Zusätz-lich wurden kompetitive in situ Rezeptorautoradiographien an Rattenhirnschnitten mit den Liganden [3H]Ro15-4513 und [3H]R015-1788 durchgeführt. Zusammen ergaben sich aus diesen Experimenten deutliche Hinweise auf eine Selektivität der Verbindun-gen TC07, TC11 und TC12 für a5-Untereinheiten enthaltende GABAA Rezeptoren mit a5-Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich. In vivo Bindungsexperimente in Ratten, mit [3H]Ro15-1788 als Tracer und TC07 als Kompetitor, ergaben, dass TC07 mehr [3H]Ro15-1788 im Vorderhirn als im Cerebellum verdrängt. Bezog man die regionale Verteilung der a5-Untereinheit des GABAA Rezep-tors im Rattenhirn mit ein – sehr wenige a5-Untereinheiten im Cerebellum, etwa 20 % der GABAA Rezeptor-Untereinheiten im Hippocampus – untermauerten diese Ergeb-nisse die Vermutung, TC07 könne a5-selektiv sein. Diese Daten bestätigten darü-berhinaus, dass TC07 die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Für elektrophysiologische Messungen mit TC07 und TC12 wurden die oben erwähnten transient transfizierten HEK293 Zellen verwendet, welche die GABAA Rezeptor Unte-reinheitenkombination a5b3g2 exprimierten. Das Dosis-Antwort Verhalten ergab keinen signifikanten Effekt für TC12. Die Daten von TC07 dagegen lassen auf einen schwach negativ modulatorischen Effekt schließen, was, zumindest theoretisch, die Möglichkeit eröffnet, TC07 auch als sogenannten cognitive enhancer einzusetzen. Der errechnete Ki-Wert lag in derselben Größenordnung wie der Ki-Wert, der anhand der Bindungsas-saydaten errechnet wurde. Insgesamt rechtfertigen die bisherigen Ergebnisse die radiochemische Markierung mit 18F von drei der sechs getesteten Verbindungen in der Reihenfolge TC07, TC12 und TC11. Des Weiteren wurde [18F]MHMZ, ein potentiell 5-HT2A selektiver Ligand und PET-Tracer einschließlich Vorläufer und Referenzverbindungen, mit hohen Ausbeuten syn-thetisiert (Herth, Debus et al. 2008). Autoradiographieexperimente mit Rattenhirn-schnitten zeigten hervorragende in situ Bindungseigenschaften der neuen Verbindung. Die Daten wiesen eine hohe Selektivität für 5-HT2A Rezeptoren in Verbindung mit einer niedrigen unspezifischen Bindung auf. [18F]MHMZ erfährt in vivo eine schnelle Metabo-lisierung, wobei ein polarer aktiver Metabolit entsteht, welcher vermutlich nicht die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Transversale, sagittale und coronale Kleintier-PET-Bilder des Rattenhirns zeigten eine hohe Anreicherung im frontalen Cortex und im Striatum, während im Cerebellum so gut wie keine Anreicherung festzustellen war. Diese Verteilung deckt sich mit der bekann-ten Verteilung der 5-HT2A Rezeptoren. Die in vivo Anreicherung scheint sich ebenfalls gut mit der Verteilung der in den Autoradiographieexperimenten gemessenen Bindung zu decken. Nach Berechnungen mit dem 4-Parameter Referenzgewebe Modell beträgt das Bindungspotential (BP) für den frontalen Cortex 1,45. Das Cortex zu Cerebellum Verhältnis wurde auf 2,7 nach 30 Minuten Messzeit bestimmt, was bemerkenswert nah an den von Lundkvist et al. für [11C]MDL 100907 publizierten Daten liegt. Abgesehen von der etwas niedrigeren Affinität waren die gemessenen in vitro, in situ und in vivo Daten denen von [3H]MDL 100907 und [11C]MDL 100907 sehr ähnlich, so dass wir ein [18F]Analogon in der Hand haben, das die bessere Selektivität von MDL 100907 verglichen mit Altanserin mit der längeren Halbwertszeit und den besse-ren Eigenschaften für die klinische Routine von 18F verglichen mit 11C verbindet. Die Ergebnisse von [18F]MHMZ rechtfertigenden weitere Experimente, um diesen Liganden für die klinische Routine am Menschen nutzbar zu machen.

Neue 18 F-markierte Liganden zur Visualisierung des GABA A, alpha 5-Rezeptorstatus mittels PET

Die heutige Verfügbarkeit der molekularen Bildgebung ermöglicht einen signifikanten Einfluss auf die Diagnostik und die Therapiekontrolle von neurodegenerativen Erkrankungen, die unter anderem durch Fehlsteuerungen im GABAergen System auftreten können. Die Visualisierung und Quantifizierung des GABAA-alpha5-Subtyps durch PET könnte dabei zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen wie Alzheimer und traumatischen Neurosen (emotionales Langzeitgedächtnis) beitragen. Ferner eröffnen GABAA/alpha5-subtypselektive Liganden die Möglichkeit, wesentliche Grundlagen der elementaren Vorgänge von Lernen und Erinnern zu untersuchen. 7,8,9,10-Tetrahydro-(7,10-ethan)-1,2,4-triazol[3,4-alpha]phthalazine stellen sich als vielverspre-chende Leitstrukturen zur Entwicklung neuer 18F-markierter alpha5-subtypselektiver GABAA-Rezeptorliganden für die PET dar. Um diese neuartigen Substanzen hinsichtlich ihrer Potenz als GABAA-alpha5-subtypselektive Radioliganden zu verifizieren, wurden zunächst die entsprechenden 19F-Derivate TC07-TC12 synthetisiert. Diese Referenzverbindungen wurden in Rezeptor-bindungsassays und in Autoradiographien mit [3H]Ro 15-4513 als zu verdrängender Radioligand evaluiert. In beiden Experimenten als auch in in vivo-Verdrängungsexperimenten an Ratten konnte eine hohe Affinität im nanomolaren Bereich als auch eine hohe Selektivität bezüglich der GABAA/alpha5-Untereinheit für einige der dargestellten Referenzverbindungen nachgewiesen werden. Gemäß diesen vielversprechenden Ergebnissen wurden verschiedene Markie-rungsvorläufer für eine 18F-Direktmarkierung der relevantesten Substanz TC07 in einer mehrstufigen organischen Synthese dargestellt. Die anschließende 18F-Markierung erfolgte über eine nukleophile Substitution mit [18F]Fluorid. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionstemperatur und dauer, Markierungsvorläuferkonzentration, Basenabhängigkeit und verschiedenen Markierungsmethoden optimiert. Daraus resultierend konnte [18F]TC07 mit bis zu 45 % radiochemischer Ausbeute erhalten werden. Die zerfallskorrigierte, gesamtradiochemische Ausbeute von nca [18F]TC07 in isotonischer NaCl-Lösung betrug 15 %. Basierend auf den bisher erhaltenen Ergebnissen wurde der Radioligand in in vitro-, ex vivo- und in vivo µPET-Experimenten evaluiert. Die zunächst durchgeführten in vitro-Experimente deuteten auf eine homogene Verteilung der Aktivität hin und zeigten keine spezifische Anreicherung. Diese Ergebnisse wurden sowohl in ex vivo- als auch in in vivo-µPET-Studien bestätigt. Auch hier konnte nur eine niedrige Aktivitätsanreicherung, eine homogene Verteilung im gesamten Gehirn und keine Übereinstimmung mit der bekannten GABAA/alpha5-Subtypverteilung gefunden werden. Eine im Anschluss durchgeführte Metabolismusstudie zeigte eine langsame Metabolisierungsrate des [18F]TC07 und auch eine Organverteilungsstudie zeigte keine außergewöhnlichen Anreicherungen. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Radioligand [18F]TC07 kein geeigneter Tracer zur in vivo-Visualisierung der alpha5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors ist.

Die Rolle von GABA- und Glyzinrezeptoren während der radialen Migration kortikaler Neurone in der pränatalen Maus

Für die Entwicklung des zerebralen Kortex ist die radiale Migration von Neuronen von elementarer Bedeutung. Für diese radiale Migration sind extrazelluläre Signale, die mit den Neuronen interagieren und eine Umgestaltung des Zytoskeletts vermitteln, notwendig. Zu den extrazellulären Signalen gehört auch der Neurotransmitter GABA, der über Depolarisation der Neurone einen Ca2+-Einstrom vermittelt und dadurch die Modulation der Migration über Ca2+-abhängige Signalwege ermöglicht. Auch von Taurin ist bekannt, dass es die neuronale Migration beeinflusst. Frühere Studien zeigten, dass die Depolarisation von GABAA-Rezeptoren durch GABA zu einem Migrationsstop führt, wohingegen Picrotoxin-sensitive Rezeptoren die Migration von der Ventrikulären Zone in die Intermediäre Zone des pränatalen Kortex vermitteln. Obwohl zu den Picrotoxin-sensitiven Rezeptoren GABAA-, GABAC- und bestimmte Glyzinrezeptoren gehören, wurde die Rolle von GABAC- und Glyzinrezeptoren während der radialen Migration nie überprüft. Ziel dieser Dissertation war deshalb, den Einfluss von GABAC- und Glyzinrezeptoren auf die radiale Migration zu untersuchen. Unter Verwendung von Migrationsanalysen, Fluoreszenzmessungen, molekularbiologischen und histologischen Methoden wurde gezeigt, dass GABAC-Rezeptoren im unteren Bereiche des präfrontalen Kortex exprimiert werden, ihre Aktivierung durch GABA in der Intermediären Zone zu einer Depolarisation führt, dass GABAC-Rezeptoren die Migration fördern und dieser Effekt über den migrationsstoppenden Effekt der GABAA-Rezeptoren dominiert. Durch Aktivierung der Glyzinrezeptoren fördert Taurin die Migration.

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

A residue close to ?1 loop F disrupts modulation of GABAA receptors by benzodiazepines while their binding is maintained

Benzodiazepines act at the major isoforms of GABA type A receptors where they potentiate the current evoked by the agonist GABA. The underlying mechanism of this potentiation is poorly understood, but hypothesized to be related to the mechanism that links agonist binding to channel opening in these ligand activated ion channels. The loop F of the ?(1) and the ?(2) subunit have been implicated in channel gating, and loop F of the ?(2) subunit in the modulation by benzodiazepines. We have identified the conservative point mutation Y168F located N-terminally of loop F in the ?(1) subunit that fails to affect agonist properties. Interestingly, it disrupts modulation by benzodiazepines, but leaves high affinity binding to the benzodiazepine binding site intact. Modulation by barbiturates and neurosteroids is also unaffected. Residue ?(1) Y168 is not located either near the binding pockets for GABA, or for benzodiazepines, or close to the loop F of the ?(2) subunit. Our results support the fact, that broader regions of ligand gated receptors are conformationally affected by the binding of benzodiazepines. We infer that also broader regions could contribute to signaling from GABA agonist binding to channel opening.

Diversity of structure and function of alpha1alpha6beta3delta GABAA receptors: comparison with alpha1beta3delta and alpha6beta3delta receptors

delta subunit-containing gamma-aminobutyric acid, type A (GABA(A))receptors are expressed extrasynaptically and mediate tonic inhibition. In cerebellar granule cells, they often form receptors together with alpha(1) and/or alpha(6) subunits. We were interested in determining the architecture of receptors containing both subunits. We predefined the subunit arrangement of several different GABA(A) receptor pentamers by concatenation. These receptors composed of alpha(1), alpha(6), beta(3), and delta subunits were expressed in Xenopus oocytes. Currents elicited in response to GABA were determined in the presence and absence of 3alpha,21-dihydroxy-5alpha-pregnan-20-one (THDOC) or ethanol, or currents were elicited by 4,5,6,7-tetrahydroisoxazolo[5,4-c]-pyridin-3-ol (THIP). Several subunit configurations formed active channels. We therefore conclude that delta can assume multiple positions in a receptor pentamer made up of alpha(1), alpha(6), beta(3), and delta subunits. The different receptors differ in their functional properties. Functional expression of one receptor type was only evident in the combined presence of the neurosteroid THDOC with the channel agonist GABA. Most, but not all, receptors active with GABA/THDOC responded to THIP. None of the receptors was modulated by ethanol concentrations up to 30 mm. Several observations point to a preferred position of delta subunits between two alpha subunits in alpha(1)alpha(6)beta(3)delta receptors. This property is shared by alpha(1)beta(3)delta and alpha(6)beta(3)delta receptors, but there are differences in the additionally expressed isoforms.

A closer look at the high affinity benzodiazepine binding site on GABAA receptors

Ligands of the benzodiazepine binding site of the GABA(A) receptor come in three flavors: positive allosteric modulators, negative allosteric modulators and antagonists all of which can bind with high affinity. The GABA(A) receptor is a pentameric protein which forms a chloride selective ion channel and ligands of the benzodiazepine binding site stabilize three different conformations of this protein. Classical benzodiazepines exert a positive allosteric effect by increasing the apparent affinity of channel opening by the agonist γ-aminobutyric acid (GABA). We concentrate here on the major adult isoform, the α(1)β(2)γ(2) GABA(A) receptor. The classical binding pocket for benzodiazepines is located in a subunit cleft between α(1) and γ(2) subunits in a position homologous to the agonist binding site for GABA that is located between β(2) and α(1) subunits. We review here approaches to this picture. In particular, point mutations were performed in combination with subsequent analysis of the expressed mutant proteins using either electrophysiological techniques or radioactive ligand binding assays. The predictive power of these methods is assessed by comparing the results with the predictions that can be made on the basis of the recently published crystal structure of the acetylcholine binding protein that shows homology to the N-terminal, extracellular domain of the GABA(A) receptor. In addition, we review an approach to the question of how the benzodiazepine ligands are positioned in their binding pocket. We also discuss a newly postulated modulatory site for benzodiazepines at the α(1)/β(2) subunit interface, homologous to the classical benzodiazepine binding pocket.

Influence of GABA(A) receptor α subunit isoforms on the benzodiazepine binding site

Classical benzodiazepines, such as diazepam, interact with α(x)β(2)γ(2) GABA(A) receptors, x = 1, 2, 3, 5 and modulate their function. Modulation of different receptor isoforms probably results in selective behavioural effects as sedation and anxiolysis. Knowledge of differences in the structure of the binding pocket in different receptor isoforms is of interest for the generation of isoform-specific ligands. We studied here the interaction of the covalently reacting diazepam analogue 3-NCS with α(1)S204Cβ(2)γ(2), α(1)S205Cβ(2)γ(2) and α(1)T206Cβ(2)γ(2) and with receptors containing the homologous mutations in α(2)β(2)γ(2), α(3)β(2)γ(2), α(5)β(1/2)γ(2) and α(6)β(2)γ(2). The interaction was studied using radioactive ligand binding and at the functional level using electrophysiological techniques. Both strategies gave overlapping results. Our data allow conclusions about the relative apposition of α(1)S204Cβ(2)γ(2), α(1)S205Cβ(2)γ(2) and α(1)T206Cβ(2)γ(2) and homologous positions in α(2), α(3), α(5) and α(6) with C-atom adjacent to the keto-group in diazepam. Together with similar data on the C-atom carrying Cl in diazepam, they indicate that the architecture of the binding site for benzodiazepines differs in each GABA(A) receptor isoform α(1)β(2)γ(2), α(2)β(2)γ(2), α(3)β(2)γ(2), α(5)β(1/2)γ(2) and α(6)β(2)γ(2).

A GABA(A) receptor of defined subunit composition and positioning: concatenation of five subunits

We show that the five subunits of a gamma-aminobutyric acid type A receptor (GABA(A) receptor) can be concatenated to yield a functional receptor. This concatenated receptor alpha(1)-beta(2)-alpha(1)-gamma(2)-beta(2) has the advantage of a known subunit arrangement. Most of its functional properties are not significantly different from a receptor formed by individual subunits. Extent of expression amounted to about 40% of that of non-concatenated receptors in Xenopus oocytes, after injection of oocytes with comparable amounts of cRNA coding for concatenated and non-concatenated receptors. The ability to express receptors consisting of five subunits enables detailed studies of GABA(A) receptor subtype selective compounds.

The promiscuous role of the epsilon subunit in GABA(A) receptor biogenesis

The formation of alpha1beta2gamma2epsilon receptors suggests that the epsilon subunit does not displace the single gamma2 subunit in alpha1beta2gamma2 receptors. Thus, epsilon must replace alpha and/or beta subunit(s) if the pentameric receptor structure is to be preserved. To assess the potential for which subunit is replaced in alphabetaepsilon and alphabetagammaepsilon receptors we analyzed the assembly and functional expression of the epsilon subunit with respect to alpha1, beta2 and gamma2 subunits. Using concatenated subunits, we have determined that epsilon is capable of substituting for either (but not both) of the alpha subunits, one of the beta subunits, and possibly the gamma2 subunit. However, the most likely sites at which the epsilon subunit may contribute to receptor function appears to be at position 1 (replaces alpha1) in alphabetagammaepsilon (varepsilon-beta2-alpha1-beta2-gamma2) receptors, or at position 4 (replaces beta2) in alphabetaepsilon (alpha1-beta2-alpha1-varepsilon-beta2) receptors. In both cases, it appears that only a single GABA binding site is present.

Two neighboring residues of loop A of the alpha1 subunit point towards the benzodiazepine binding site of GABAA receptors

Benzodiazepines are widely used drugs exerting sedative, anxiolytic, muscle relaxant, and anticonvulsant effects by acting through specific high affinity binding sites on some GABA(A) receptors. It is important to understand how these ligands are positioned in this binding site. We are especially interested here in the conformation of loop A of the alpha(1)beta(2)gamma(2) GABA(A) receptor containing a key residue for the interaction of benzodiazepines: alpha(1)H101. We describe a direct interaction of alpha(1)N102 with a diazepam- and an imidazobenzodiazepine-derivative. Our observations help to better understand the conformation of this region of the benzodiazepine pocket in GABA(A) receptor.

Proximity-accelerated chemical coupling reaction in the benzodiazepine-binding site of gamma-aminobutyric acid type A receptors: superposition of different allosteric modulators

Benzodiazepines are widely used drugs. They exert sedative/hypnotic, anxiolytic, muscle relaxant, and anticonvulsant effects and act through a specific high affinity binding site on the major inhibitory neurotransmitter receptor, the gamma-aminobutyric acid type A (GABA(A)) receptor. Ligands of the benzodiazepine-binding site are classified into three groups depending on their mode of action: positive and negative allosteric modulators and antagonists. To rationally design ligands of the benzodiazepine site in different isoforms of the GABA(A) receptor, we need to understand the relative positioning and overlap of modulators of different allosteric properties. To solve these questions, we used a proximity-accelerated irreversible chemical coupling reaction. GABA(A) receptor residues thought to reside in the benzodiazepine-binding site were individually mutated to cysteine and combined with a cysteine-reactive benzodiazepine site ligand. Direct apposition of reaction partners is expected to lead to a covalent reaction. We describe here such a reaction of predominantly alpha(1)H101C and also three other mutants (alpha(1)G157C, alpha(1)V202C, and alpha(1)V211C) with an Imid-NCS derivative in which a reactive isothiocyanate group (-NCS) replaces the azide group (-N(3)) in the partial negative allosteric modulator Ro15-4513. Our results show four contact points of imidazobenzodiazepines with the receptor, alpha(1)H101C being shared by classical benzodiazepines. Taken together with previous data, a similar orientation of these ligands within the benzodiazepine-binding pocket may be proposed.