Nature's View of Ionotropic Glutamate Receptors

Abstract

Ionotrope glutamatreseptorer (iGluR-er) er kationkanaler som spenner over cellemembranen og som formidler rask eksitatorisk overføring i det mammale sentralnervesystemet. De aktiveres ved binding av nevrotransmittere, for eksempel binder AMPA-type iGluR-er glutamat, og Delta-type iGluR-er binder glysin og D-serin. Nylige fylogenetiske analyser og sekvenseringsstudier viser at iGluR-er forekommer gjennom alle dyreslekter, men vår kunnskap om deres biologiske funksjon og biokjemiske roller er begrenset til dyr fra bare noen få rekker (hovedsakelig virveldyr), og vi vet ikke det molekylære grunnlaget for hvordan de ulike typene skilte seg fra hverandre. Derfor hadde prosjektet mitt som mål å utforske mangfoldet av iGluR-er i de største dyreslektene og å analysere det molekylære grunnlaget for deres ulike ligandselektivitet. Denne avhandlingen beskriver mine resultater. Ved å kombinere fylogenetikk og elektrofysiologi beskriver jeg de fylogenetiske relasjonene blant iGluR-er i metazoa i større detalj enn tidligere ved bruk av nyere transkriptomiske data, og jeg karakteriserer de funksjonelle egenskapene til mange ulike iGluR-er (kapittel 4 og 5). Basert på noen av disse funnene identifiserer jeg deretter den unikt dominerende rollen til β10-αI-karboksylatresten i aktiveringen av diverse iGluR-er (kapittel 6), og jeg fastslår at determinantene for ligandselektivitet varierer i ulike iGluR-underfamilier (kapittel 7). Jeg utforsker også de mulige fysiologiske funksjonene til iGluR-er ved å analysere deres celletype-spesifikke uttrykk med nylig fremkomne databaser for enkeltcellesekvensering og etablerer mulige roller i reguleringen av sekresjon og nevromuskulær signalering (kapittel 8). Dermed gir denne avhandlingen ny innsikt i evolusjonen av og de funksjonelle egenskapene til iGluR-er fra forskjellige dyr, og gir også en metodikk for å utforske evolusjonen av ionekanaler.

Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are membrane-spanning cation channels that mediate fast excitatory transmission in the mammalian central nervous system. They are activated by the binding of neurotransmitters, e.g. AMPA-type iGluRs bind glutamate, and Delta-type iGluRs bind glycine and D-serine. Recent phylogenetic analyses and sequencing studies show that iGluRs occur throughout all animal lineages, however, our knowledge of their biophysical function and biological roles is limited to animals from only a few phyla (basically vertebrates), and we don’t know the molecular basis by which the different types diverged from each other. Therefore, my project aimed to explore the diversity of iGluRs in the major animal lineages and dissect the molecular basis for their different ligand selectivity. This thesis describes my results. Combining phylogenetics and electrophysiology, I describe the phylogenetic relationships among metazoan iGluRs in greater detail than before by using recent transcriptomic data and I characterize the functional properties of many diverse iGluRs (Chapters 4 and 5). Based on some of those findings, I then identify a uniquely dominant role of the β10-αI carboxylate residue in the activation of diverse iGluRs (Chapter 6) and I establish that the determinants of ligand selectivity differ in different iGluR subfamilies (Chapter 7). I also explore the potential physiological functions of iGluRs by analyzing their cell type-specific expression with recently emerged single cell sequencing databases and establish potential roles in regulating secretion and neuromuscular signaling (Chapter 8). Thus, this thesis describes new insight into the evolution and functional properties of iGluRs from diverse animals and also provides a methodology to explore the evolution of ion channels.