Präsynaptische Kurz- und Langzeitverstärkung von Neurotransmitterausschüttung: Molekulare Mechanismen und Bedeutung für Lernverhalten

• Antragsteller: Dr. Alexander Walter
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261020751

Die Kommunikation zwischen Nervenzellen geschieht an chemischen Synapsen: Dort setzt die Exozytose präsynaptischer Vesikel (SV) Neurotransmittermoleküle frei, die postsynaptische Signalkaskaden auslösen. Dieser Prozess ist Ca2+-aktiviert und erfolgt an Aktiven Zonen (AZen). Anschließende Endozytose regeniert SV und sichert fortlaufende neuronale Aktivität. Obwohl die effiziente Synchronisierung dieser Prozesse für Neurotransmission essenziell scheint, ist überraschend wenig über die molekularen Mechanismen der Kopplung beider Reaktionen bekannt. Mein Forschungsprogramm ist darauf ausgerichtet, diese Wissenslücke zu schließen.AZen sind für die Exozytose optimiert: Schon bevor es zur Stimulation kommt, werden SV zu speziellen Fusionsstellen in die Nähe von Ca2+ Kanälen transportiert, deren Öffnung Exozytose auslöst. Dort lokalisierte Zytomatrixproteine haben vermutlich maßgeblichen Einfluss auf die SV-Fusion, indem sie die SV in unmittelbarer Nähe der Ca2+-Kanäle fixieren. Jedoch sind die räumlichen Beziehungen und physiologischen Prinzipien unklar. Neuronale Endozytose geschieht in unmittelbarer Nähe der AZ und erst kürzlich legten Experimente die Vermutung nahe, dass Endozytose nicht nur für die langfristige Regenerierung SV, sondern auch für die schnelle Wiederherstellung der Fusionsstellen essentiell ist. Darüber hinaus scheint es, als seien Endozytose-Modi abhängig von der vorangegangenen Exozytose, aber auch hier sind die molekularen Mechanismen der Modulation unbekannt. Ferner ist unbekannt, wie essentielle Regulatoren der Exo- und Endozytose zeitlich und räumlich koordiniert werden.Ich stelle die Hypothese auf, dass Zytomatrixproteine der AZ als Reaktionsplattformen dienen, die effiziente Exo- und Endozytose koordinieren. Mit meinem Programm werde ich die Kopplung von Exo- und Endozytose mit mathematisch-theoretischen (Modellierung), experimentellen (Elektrophysiologie, Mikroskopie lebender Zellen, Elektronenmikroskopie und Biochemie) und genetischen (chronische und akute Proteininaktivierung) Methoden in Drosophila melanogaster und Maus-Hippocampalneuronen untersuchen. Die synergetische Nutzung von Theorie und Experiment wird es mir ermöglichen zu prüfen, ob und wie die AZ Zytomatrix Exo- und Endozytose miteinander verzahnt. Im Detail werde ich zeigen (i) wie die räumliche Struktur der AZ Exozytose optimiert, indem ich die Topologie zwischen Ca2+-Kanälen und SV beschreibe. Ferner (ii) werde ich durch die Analyse des Aufbaus und der Exozytoseeigenschaften einzelner AZen die Mechanismen synaptischer Aktivität definieren. Darüber hinaus (iii) werde ich die molekularen Mechanismen aktivitätsbedingter Endozytosemodulation charakterisieren. Schließlich (iv) werde ich direkt testen, ob die AZ-Zytomatrix Exo-Endozytose koordiniert, indem ich deren Exo- und Endozytosefunktion entkopple. Mein Arbeitsprogramm wird maßgeblich dazu beitragen, die Mechanismen zu verstehen, auf denen Neurotransmission und Gehirnfunktion basieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen