Analyse der Funktion von Ionenkanälen in Drosophila Motoneuronen mit gezielter genetischer Manipulation

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Duch
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240972426

Die Ionenkanalausstattung von Neuronen bestimmt nicht nur deren Erregbarkeit, sondern auch synaptische Funktion. An chemischen Synapsen werden essentielle präsynaptische Funktionen, wie die Exozytose synaptischer Vesikel (SV), das Cycling SV zwischen verschiedenen Pools, Kurzzeitplastizität und die Regulation des Recycling SV durch spannungsabhängige Kalzium Kanäle (VGCCs) reguliert. Die Funktion elektrischer Synapsen ist weniger statisch als lange angenommen und kann durch die Membraneigenschaften der gekoppelten Neurone beeinflusst werden. Daher ist die Analyse der spezifischen Funktionen von Ionenkanälen und deren strategischer subzellulärer Lokalisation essentiell, um synaptische und Netzwerkfunktion im gesunden und im erkrankten Hirn zu verstehen. Dieses Projekt kombiniert Drosophila Genetik mit elektro- und optophysiologischen Ableitungen, um die Rolle von Ionenkanälen für Ca2+ abhängige präsynaptische Funktionen an chemischen Synapsen, und das Tuning der Funktionen elektrischer Synapsen zu adressieren. Wir haben kürzlich unerwartete Funktionen des Cav1 Homologs, Dmca1D, an präsynaptischen Terminalen larvaler Drosophila Motorneurone entdeckt. Erstens, im Gegensatz zu Cav2 Kanälen, die in präsynaptischen aktiven Zonen lokalisieren und für evozierte Freisetzung SV notwendig sind, lokalisiert Cav1 außerhalb aktiver Zonen und ist nicht für Exozytose notwendig. Ca2+ Einstrom durch Cav1 reguliert das Recycling SV und Kurzzeitplastizität. Zweitens, im Axonterminal werden die gleichzeitig durch Aktionspotentiale induzierten Ca2+ Signale durch Cav2 und Cav1 mithilfe eines membranständigen Kalzium Puffers, der Plasmamembran Kalzium ATPase, PMCA, funktionell separiert. So erlaubt die strategische Lokalisation von Cav2, Cav1 und PMCA die separate Regulation von SV Exozytose und Recycling durch aktivitätsabhängigen Ca2+ Einstrom. Darauf aufbauend werden wir das Zusammenspiel von Cav1/Cav2/PMCA mit Synaptotagmin 7 bei der Regulation von asynchroner SV Freisetzung, Kurzzeitplastizität, und dem Befüllen des RRP mit SV untersuchen (Ziel 1). Zusätzlich haben wir Hinweise auf neue, unerwartete Funktionen von spannungsabhängigen Ionenkanälen für das Tuning der Funktionen elektrischer Synapsen. Wir haben gezeigt, dass der zentrale Rhythmusgenerator (CPG) für Drosophila Flug aus einem kleinen Netzwerk elektrisch gekoppelter Motorneurone besteht. Unsere Daten deuten darauf hin, dass dieselben elektrischen Synapsen Netzwerkaktivität synchronisieren oder de-synchronisieren können, abhängig von der elektrischen Kopplungsstärke und den Erregbarkeits-Profilen der gekoppelten Neurone. Mithilfe gezielter genetischer Manipulation der Ionenkanäle der CPG Motorneurone werden wir deren Rolle für das Tuning der Funktion elektrischer Synapsen, sowie die resultierenden Konsequenzen für Netzwerkaktivität, untersuchen (Ziel 2). Wir erwarten neue Erkenntnisse zur dynamischen Regulation der Funktion neuronaler Netzwerke durch chemische und elektrische Synapsen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen