Von der probabilistischen Natur der frühen Synapsen-Assemblierung zur funktional robusten Struktur und Funktion der Synapse durch Stabilisierungsmechanismen des frühen molekularen Gerüstes

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Astrid G. Petzoldt; Professor Dr. Stephan J. Sigrist
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453877723

Der Bildung neuer synaptischer Verbindungen ist notwendige Voraussetzung für die Entwicklung und Funktionalität synaptischer Netzwerke. Trotzdem sind die zugrundeliegende Prozesse, welche die Anzahl, Platzierung und Stärke der einzelnen Synapsen regeln, schlecht verstanden. Insbesondere sind sowohl Dynamik als auch Kontrollpunkte, welche die Synapse-Assemblierung kontrollieren, unbekannt, auch da Untersuchung in lebenden Systemen entsprechend anspruchsvoll sind. Die neuromuskulären Synapsen (NMJs) der Drosophila Larve ist jedoch hervorragend dafür geeignet, in dem die stochastische Dynamik der Synapse-Assemblierung in Echtzeit im lebenden Organismus über Stunden „live“ beobachtet werden kann. Unsere Arbeiten erlauben eine intravitale Analyse der einzelnen Assemblierungsschritte auf molekularem und subzellulärem Niveau. So konnten wir bereits zeigen, dass das Resultat dieser Entwicklungsprozesse eine stöchiometrisch hochdefinierte prä-/postsynaptische Architektur ist, Voraussetzung für eine robuste Funktionalität. Die Funktion der Synapse ist robust gegen die entwicklungsbiologische Variabilität der neuromuskulären Morphologie und des synaptischen Arrangements. Während der Frühphase der synaptischen Entwicklung initiieren Liprin-a-Cluster den Assemblierungsprozess naszierender aktiven Zonen („Aussäen“), während Komponenten typisch für ausgereifte Synapsen erst deutlich später folgen. Bemerkenswerterweise zeigen die Liprin-a-Cluster ein hoch-fluktuierendes Verhalten, das sich in zufälliger Assemblierung oder Zerfall zeigt. In P1 suchen wir zu verstehen, wie die probabilistische Natur der Synapsen-Assemblierung zu einer funktional robusten Struktur und Funktion der NMJs führt. Wir vermuten, dass die Liprin-a-Cluster verschiedenen testbaren molekularen Einflüssen unterliegen, welche das Schicksal einzelner Cluster entscheidet. Dies beinhaltet sowohl die Dynamik und Verfügbarkeit von Proteinen, die für die Synapsen-Assemblierung benötigt werden als auch essentieller, nicht zell-autonome transsynaptische Signalwege, um naszierende Synapsen zu stabilisieren. In Vorbereitung auf den RobustCircuit haben wir verschiedene genetische Ansätze entwickelt, die uns die Manipulation und Quantifizierung derjenigen molekularen Mechanismen ermöglichen werden, welche die Dynamik der wachsenden Synapsen entscheidend kontrollieren. Basierend auf unseren Analysen der frühen synaptischen Entwicklungsprozesse werden wir ein Model etablieren, welches die Entwicklung der funktionalen Robustheit basierend auf der Dynamik und probabilistischen Selektionsmechanismen auf dem Niveau der molekularen Synapsen-Assemblierung abbildet.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5289: Von Impräzision zu Robustheit in der Assemblierung Neuronaler Schaltkreise