Optische Steuerung von Glutamat Rezeptoren durch die Verwendung von genetisch kodierten unnatürlichen Aminosäuren

• Antragsteller: Professor Dr. Andrew Plested
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272140445

Glutamat-Rezeptoren sind besonders für die schnelle exzitatorische synaptische Übertragung im Gehirn wichtig. Umfangreiche Daten von der Glutamat-Rezeptor-Biogenese, Transport, Pharmakologie bis hin zu strukturellen Information sind vorhanden. Die meisten der relevanten Messungen wurden jedoch über Minuten, Stunden oder sogar mehreren Tagen durchgeführt, und waren daher für eine Auflösung der schnellen, synaptischen Übertragung im Millisekunden-Bereich zu langsam. Insbesondere für AMPA-Typ-Glutamat-Rezeptor fehlen wichtige Informationen über die Dynamik des aktivierten und eines "desensibilisierten" Zustands, der paradoxerweise ebenfalls unter Glutamatbindung auftritt. Unsere Arbeitsgruppe verwendete bereits modernste chemische und molekularbiologische Techniken um AMPA-Typ-Glutamat-Rezeptoren in Säugetierzellen mit genetisch-kodierten, lichtgetriebenen Inaktivierungsschaltern auszustatten. Diese technische Entwicklung ermöglichte es, den Rezeptor während seiner schnellen Aktivierung millisekundengenau einzufangen. Um ein erstes Bild von der Membrandomäne im aktiven Zustand mit entsprechend offenem Kanal zu erhalten, beabsichtigen wir, photoaktive sich vernetzende Aminosäuren in Kombination mit elektrophysiologischen Messungen und Modellberechnungen zu verwenden. Ferner soll dieses Methodenspektrum angewandt werden um die Topographie der extrazellulären Domänen im desensibilisierten Zustand aufzuklären. Die erworbenen biophysikalischen Einblicke sollen in beiden Fällen auch dazu dienen, neue lichtgesteuerte Kontrollwerkzeuge für die synaptische Übertragung zu entwickeln. Der genetische Einbau von photoaktiven Aminosäuren in einzelnen Glutamat-Rezeptor-Untereinheiten ermöglicht es die Rezeptoren in lebenden Neuronen kovalent in einen aktivierbaren oder in einen inaktiven Zustand zu überführen. Dieser Ansatz verschiebt die möglichen rationellen Eingriffe in exzitatorischen Übertragungen in den Bereich von Sekunden, mit subzellulärer räumlicher Auflösung und bei gleichzeitiger Umgehung von langsamen homöostatischen Prozessen. Von dieser Arbeit erwarten wir uns das grundlegende Prinzip der schnellen Photokontrolle von endogenen Signalkomponenten zu belegen mit welcher, ergänzend zu bereits etablierten optogenetische Methoden, Signalwege untersucht werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen