Authors:	Heinrich, Laurin
Title:	Probing the function of α2δ voltage-gated calcium channel subunits in the genetic model system Drosophila melanogaster
Online publication date:	23-Jan-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Voltage-gated calcium channels (VGCCs) are crucial for the normal function of excitable cells, and thus, of the nervous system. Correct function of VGCCs depends on their bio-physical properties, localization, and density. In vertebrates, there are 10 genes for the pore-forming α1 subunit, but still, the number of Ca2+ dependent mechanisms seems to largely outcompete the number of VGCC genes. The interaction of high voltage-activated (HVA) α1 subunits with additional accessory subunits, like α2δ, increases the number of functionally different HVA VGCC complexes, but the underlying functional code for α1-α2δ interaction remains incompletely understood. This study aims to unravel the combinato-rial code of functional α1-α2δ interactions by testing whether (i) different α1-α2δ combina-tion serve different or redundant functions, (ii) whether different α2δ subunits modulate distinctly different properties of VGCCs, and (iii) whether different α2δ subunits are spe-cifically required at different subcellular compartments. We use the relatively simpler situation of Drosophila melanogaster, where only 8 instead of the 112 possible vertebrate α1-α2δ-β combinations exist. We further focus our analysis on individually identified mo-toneurons (MNs) with well-described functions for the Drosophila CaV1 and CaV2 homo-logs in different subcellular compartments. Our findings show that both Stj (dα2δ3) and dα2δ1 are expressed in many types of neurons, including MNs, but predominantly localize to different subcellular compartments, thus, indicating functional differences. Electrophysiological analysis demonstrates that Stj is required for correct calcium current amplitudes of both CaV1 and CaV2, while dα2δ1 is not. Stj is required for normal CaV2 current amplitudes at all developmental stages (larva, pupa, and adult) and in all subcellular compartments (somatodendritic, axon & axon ter-minal) of Drosophila MNs. By contrast, dα2δ1 is required for allocation of CaV2 channels specifically to dendrites. Loss of dα2δ1, therefore, results in shifts of dendritic CaV2 chan-nel to the axon. In conclusion, we find that at least Stj and dα2δ1 serve distinctly different functions in the same MNs and are not able to functionally compensate for each other. This contrasts data from heterologous expression systems where redundant functions have been reported, but is in accord with specific α2δ mutations causing different human brain diseases. One possible explanation could be that full functional diversity of α2δ-α1 interactions may unfold only in the brain, because our data hint on functional redundancy of Stj and dα2δ1 in larval muscles. Our findings start unraveling how different α1-α2δ com-binations regulate functional calcium channel diversity in different sub-neuronal com-partments, and may provide an entry point toward understanding how mutations of dif-ferent α2δ genes underlie brain diseases. Spannungsabhängige Kalziumkanäle (VGCCs) sind notwendig für die Funktionalität von erreg-baren Zellen. Die korrekte Funktion von VGCCs hängt dabei von ihren biophysikalischen Eigen-schaften, ihrer Lokalisation und Dichte ab. In Wirbeltieren codieren allein 10 Gene für die po-renbildende α1 Untereinheit. Dennoch scheint die Anzahl der Ca2+ abhängigen Mechanismen die Anzahl der VGCC-Gene weitgehend zu überbieten. Die Interaktion von hochspannungsak-tivierten (HVA) α1 mit zusätzlichen Untereinheiten, wie z.B. α2δ, erhöht die Anzahl der funkti-onal unterschiedlichen HVA VGCC-Komplexe. Aber die zugrunde liegende Kombinatorik zwi-schen α1-α2δ Interaktionen ist unvollständig verstanden. Das Ziel dieser Studie ist es, den kom-binatorischen Code funktionaler α1-α2δ-Interaktionen zu entschlüsseln, indem getestet wird, ob (i) verschiedene α1-α2δ-Kombinationen unterschiedliche oder redundante Funktionen er-füllen, (ii) ob verschiedene α2δ Untereinheiten unterschiedliche Eigenschaften von VGCCs mo-dulieren und (iii) ob verschiedene α2δ Untereinheiten spezifisch in verschiedenen subzellulä-ren Kompartimenten benötigt werden. Hierfür wird die relativ einfachere Situation von Dro-sophila melanogaster genutzt, bei welcher es nur 8 anstatt der 112 in Wirbeltieren möglichen α1-α2δ-β Kombinationen gibt. Wir konzentrieren unsere Analyse weiterhin auf individuell identifizierte Motoneurone (MNs) mit gut beschriebenen Funktionen für die Drosophila CaV1- und CaV2-Homologe in verschiedenen subzellulären Kompartimenten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl Stj (dα2δ3) als auch dα2δ1 in vielen Neuronen-Typen, einschließlich MNs, exprimiert werden, aber überwiegend zu verschiedenen subzellulären Kompartimenten lokalisieren, was auf funktionelle Unterschiede hinweist. Elektrophysiologi-sche Analysen zeigen, dass Stj und nicht dα2δ1 für die korrekte Kalziumstromamplitude von CaV1 und CaV2 erforderlich ist. Stj wird weiterhin für normale CaV-Stromamplituden in allen Entwicklungsstadien (Larve, Puppe und Erwachsener) und in allen subzellulären Komparti-menten (somatodendritisch, axonal und am Axonterminal) von Drosophila MNs benötigt. Im Gegensatz dazu ist dα2δ1 für die Zuordnung von CaV2-Kanälen speziell zu den Dendriten erfor-derlich. Der Verlust von dα2δ1 führt daher zu einer Verlagerung von dendritischen CaV2-Kanä-len zum Axon. Zusammenfassend stellen wir fest, dass zumindest Stj und dα2δ1 deutlich un-terschiedliche Funktionen in den gleichen MNs besitzen und nicht in der Lage sind, funktional füreinander zu kompensieren. Dies steht im Gegensatz zu Daten aus heterologen Expressi-onssystemen, bei welchen redundante Funktionen gezeigt wurden. Stimmt jedoch überein mit spezifischen α2δ Mutationen, welche in verschiedene Erkrankungen des menschlichen Ge-hirns resultieren. Unsere Ergebnisse beginnen zu entschlüsseln, wie verschiedene α1-α2δ Kombinationen die funktionelle Kalziumkanal-Diversität in verschiedenen subneuronalen Kompartimenten regulieren und bieten einen möglichen Ansatz um zu verstehen, wie Muta-tionen in verschiedenen α2δ Genen Hirnerkrankungen bedingen.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3604
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000032748
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	154 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen