Funktionelle Charakterisierung einer Tripletdeletion in SLC5A4 (SGLT3) als Kandidatengen für das Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitätssyndrom (ADHS)
Natrium-Glukose Transporter (SGLT) gehören zur „solute carrier 5“ (SLC5) Familie, die sich durch einen sekundär aktiven, natriumabhängigen Transport von Zuckern und an-deren Molekülen nach intrazellulär auszeichnen. Die durch das Gen SLC5A4 kodierte Isoform SGLT3 transportiert dagegen keinen Zucker,...
| Main Author: | |
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | deu |
| Published: |
2019
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/18479 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-184791 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-184791 https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/18479/Friedrich_Maximilian_SGLT3-ADHS-Kandidatengen.pdf |
| Summary: | Natrium-Glukose Transporter (SGLT) gehören zur „solute carrier 5“ (SLC5) Familie, die sich durch einen sekundär aktiven, natriumabhängigen Transport von Zuckern und an-deren Molekülen nach intrazellulär auszeichnen. Die durch das Gen SLC5A4 kodierte Isoform SGLT3 transportiert dagegen keinen Zucker, sondern verhält sich als Glukosesensor, der nach Bindung seiner Liganden eine Membrandepolarisation induziert. In genomweiten Exomsequenzierungsstudien (whole exome sequencing, WES) mehrerer erweiterter Stammbäume mit hoher Prävalenz des Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätssyndroms (ADHS) wurde im Vorfeld eine ATG-Tripletdeletion in SLC5A4 identifiziert, die zum Verlust einer Aminosäure (ΔM500) in SGLT3 führt und zumindest partiell mit dem klinischen Phänotyp kosegregiert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die zentralnervöse Expression von SGLT3 auf RNA- Ebene mittels Reverse-Transkriptase PCR sowie real-time PCR aus humanen Gesamt-RNAs nachgewiesen. Dabei konnte eine ubiquitäre Expression im Gehirn mit relativ erhöhter Expression unter anderem in Striatum und Hypothalamus, deren Dysfunktion in der Pathogenese des ADHS impliziert wurde, gezeigt werden. Da Mutationen in homologen Domänen der eng strukturverwandten Isoformen SGLT1 und SGLT2 sowohl intestinale als auch renale Funktionen schwer beeinträchtigen, wurden in dieser Arbeit funktionelle Charakteristika sowohl des wildtypischen als auch der ΔM500 und der benachbarten ΔI501 Deletionsvariante von SGLT3 mittels Zwei-Elektroden Spannungs- und Stromklemme in entsprechend cRNA-injizierten Xenopus laevis Oozyten untersucht. Der hochpotente SGLT3-spezifische Iminozuckeragonist 1-Desoxynojirimycin (DNJ) induzierte an SGLT3-exprimierenden Oozyten in sauren Bedingungen etwa dreifach größere Kationeneinströme als D-Glukose, was sowohl im Spannungsklemmen-, und anhand einer entsprechenden Membrandepolarisation im Stromklemmenmodus gezeigt wurde. Die mit der ΔM500 bzw. ΔI501 Variante injizierten Oozyten dagegen zeigten in den maximalen Aktivierungsbedingungen um 92% bzw. 96% (p<0,01) reduzierte Kationeneinströme, sodass diese als hochgradig schädliche „Loss of Function“ Mutationen in SGLT3 charakterisiert wurden. Dieser Befund wurde mittels bioinformatischer in-silico Effektvorhersage validiert.
Um Konsequenzen der Sequenzalteration auf den Membraneinbau der Transporter zu untersuchen, wurden die mit einem gelb fluoreszierenden Farbstoff (YFP) markierten Transporter in Oozytenmembranen mittels Laser-Scanning Mikroskop nachgewiesen und die jeweiligen Mengen der Konstrukte anhand der Fluoreszenzintensitäten quantifiziert. Dabei zeigte sich eine um 53% bzw. 42% (p<0,01) reduzierte Menge der mutierten Konstrukte ΔM500 bzw. ΔI501 in der Membran, was zusätzliche schädliche Effekte der Mutationen auf das sogenannte Membrantargeting der Transporter belegt.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die ΔM500 Variante von SGLT3, welcher in ADHS-relevanten Hirnarealen exprimiert wird, dessen sub-stratinduzierte Natriumleitfähigkeit aufhebt und den Membraneinbau beeinträchtigen könnte, was in Wechselwirkung mit anderen genetischen ADHS Risikovarianten das Risiko für ADHS in Mutationsträgern beeinflussen kann. === Sodium-glucose transporters (SGLT) belong to the solute carrier 5 family, which is characterized by secondary active sodium dependent transport of sugars and other solutes. In contrast, SGLT3, encoded by the SLC5A4 gene, does not transport sugar but acts as a glucose sensor, inducing membrane depolarization upon ligand binding. In whole exome sequencing studies of several extended pedigrees with high density of attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), an ATG triplet deletion of SLC5A4, leading to a single amino acid loss (ΔM500) in SGLT3, was found to cosegregate, although imper-fectly, with the clinical phenotype.
In this work, expression of SGLT3 on RNA level was proven ubiquiteously in the human brain with relatively increased expression levels in striatum and hypothalamus, which had repeatedly been implicated in ADHD pathophysiology. Since mutations in homolo-gous domains of the structurally closely related isoforms SGLT1 and SGLT2 can signif-icantly impair intestinal and renal function, functional properties of wildtype, ΔM500 and neighboring ΔI501 deletion variants of SGLT3 were investigated by voltage clamp and current clamp recordings in cRNA-injected Xenopus laevis oocytes. The SGLT3-specific iminosugar agonist 1-Desoxynojirimycin (DNJ) induced a threefold increase of cation influx compared to the classic SGLT substrate D-glucose alone as revealed by robust inward currents in voltage clamp and cell depolarization in current clamp modes. ΔM500-SGLT3 and ΔI501-SGLT3 injected oocytes showed cationic inward currents significantly reduced by 92% and 96% (p<0,01) respectively. In-silico modelling predicted deleterious functional effects of both mutations, thus validating these results.
To investigate possible effects of these sequence alterations on membrane targeting of the transporters, fusion constructs with YFP were generated and intensity of membrane fluorescence was quantified by confocal laser scanning microscopy. In comparison to wildtype SGLT3, fluorescence signals of ΔM500 and ΔI501 injected oocytes were de-creased by 53% and 42% (p<0,01) respectively.
Taken together, the results of this work suggest that the ΔM500 mutant of SGLT3, which is expressed in ADHS-implicated brain tissues completely abolishes its ligand dependent sodium conductance and may impair its membrane targeting, which, in interaction with other genetic ADHD risk variants, may confer a risk for ADHD in deletion carriers. |
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