Interaction of GluA1 AMPA receptor with Synapse-Associated Protein 97

Alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate (AMPA) receptors are glutamate-gated cation channels and mediators of fast excitatory neurotransmission in the mammalian central nervous system. Trafficking and functional regulation of AMPA receptors GluA1-4 is carried out through numerous intracellular protein interactions and post-translational modifications. The aim of this thesis work was to study the selective interaction between AMPA receptor subunit GluA1 and synapse-associated protein 97 (SAP97), a protein scaffold belonging to the protein family of membrane associated guanylate kinase homologs. The interaction between SAP97 and GluA1 has been implicated in AMPA receptor trafficking, neuronal development and synaptic plasticity, while disturbances in normal levels of both GluA1 and SAP97 have been linked to neuropathologies such as Alzheimer s disease and schizophrenia. In the present study, a combination of biochemical and structural work was employed to gain detailed information on the selective interaction of GluA1 with SAP97 identifying molecular determinants involved in and regulating the interaction. X-ray crystallization screens of the second PDZ domain of SAP97 (SAP97PDZ2) yielded well-diffracting crystals both for the apo and ligand bound form. The solved crystal structure of the SAP97PDZ2-GluA1 peptide complex conformed to a conventional class I PDZ interaction with hydrogen bonds forming between the carboxylate group of the ultimate C-terminal residue of the peptide and main chain nitrogens in the carboxylate binding loop of the PDZ domain, and a hydrogen bond between the antepenultimate residue of the peptide and a conserved histidine in the αB helix lining the peptide binding groove. Beside these typical PDZ interactions, as a novel finding we observed contacts within the PDZ domain reorganizing upon peptide binding leading to a slight opening of the peptide binding groove facilitating better accommodation of the ligand. In vitro binding ana
AMPA receptorer, bestående av underenheterna GluA1-4, är katjonkanaler vars genomsläpplighet styrs av till dem bundet glutamat och de ansvarar för snabb stimulerande signalöverföring i centrala nervsystemets synapser hos däggdjur. Reglering av AMPA receptorers funktion samt deras intracellulära trafik dirigeras av växelverkande proteiner och posttranslationella proteinmodifieringar. Syftet för denna doktorsavhandling var att studera den selektiva interaktionen mellan AMPA receptor GluA1 och SAP97, ett protein tillhörande proteinfamiljen av membran-associerade guanylatkinas homologer. Växelverkan mellan SAP97 och GluA1 påverkar AMPA receptorers intracellulära trafik, den neuronala utvecklingen och synaptisk plasticitet, medan störningar i normala nivåer av GluA1 och SAP97 har länkats till olika sjukdomstillstånd så som Alzheimers sjukdom och schizofreni. I denna studie tillämpades biokemiska metoder i kombination med röntgenkristallografi och NMR för att få detaljerad information om den selektiva interaktionen mellan GluA1 och SAP97 samt identifiera specifikt de molekyler som reglerar växelverkan mellan proteinerna. Med hjälp av röntgenkristallografi löstes kristallstrukturen för den andra PDZ-domänen av SAP97 (SAP97PDZ2) både i sin fria och ligandbundna form. Kristallstrukturen av SAP97PDZ2 tillsammans med GluA1 påvisade en konventionell klass I PDZ-interaktion där GluA1-peptidens yttersta C-terminala aminosyras karboxylatgrupp genom vätebindningar binds till den karboxylatbindande slingan i PDZ-domänen och GluA1-peptidens tredje sista aminosyra binds med ytterligare en vätebindning till en konserverad histidin-aminosyra i αB-helixen som kantar öppningen till den peptidbindande fåran. Förutom de typiska PDZ-interaktionerna upptäcktes det att intramolekylära kontakter inom PDZ-domänen omorganiseras då peptiden binds vilket leder till att den peptid-bindande fåran öppnas en aning för att ge bättre utrymme för peptiden. In vitro- analys av isolerade PDZ-domäner och Glu