Komposition und Dynamik der Freisetzungsstellen für Neurotransmitter

Abstract

In den hier vorgestellten Forschungsarbeiten widme ich mich den Freisetzungsstellen für chemische Transmitter in zwei Modellsystemen, Maus chromaffinen Zellen und der Neuromuskulären Endplatte von Drosophila melanogaster Larven. In der ersten Studie (2.1) entwickelte ich ein neues quantitatives mathematisches Modell, das detaillierte Einblicke in die Reaktionsgeschwindigkeiten und molekularen Abhängigkeiten der Transmitterfreisetzung lieferte. In diesem Model wurde die Hypothese getestet, ob sequenzielle, Kalziumkatalysierte Reaktionen der Vesikelreifung ursächlich für die beobachtete biphasische Transmitterfreisetzung sein können, was der Fall ist. Im Vergleich zu klassischen Modellen mit zwei unabhängigen (parallelen) Fusionsreaktionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit waren beide Modelle ähnlich gut geeignet, um die Transmitterfreisetzung aus wildtypischen Maus chromaffinen Zellen zu beschreiben. Allerdings konnten durch das neue, sequenzielle Modell, Effekte der Mutation des vesikulären SNARE Proteins Synaptobrevin-2 etwas leichter (durch die Anpassung weniger Parameter) interpretiert werden und die Kalzium-beschleunigte Wiederauffüllung der freisetzbaren Vesikel nach einem Stimulus genauer vorhergesagt werden. In der zweiten Studie (2.2) identifizierten wir die molekulare Identität von synaptischen Freisetzungsstellen an der glutamatergen neuromuskulären Endplatte von Drosophila melanogaster Larven. Diese Freisetzungsstellen limitieren die Neurotransmitterfreisetzung. Obwohl ihre Existenz über 50 Jahre bekannt war, war ihre molekulare Identität unbekannt geblieben. Mit Hilfe von genetischen Experimenten, elektrophysiologischen Messungen, Lebendmikroskopie und hochauflösender Mikroskopie beschreiben wir eine essentielle Rolle des evolutionär konservierten (M)Unc13 Proteins hierfür. In der dritten Studie (2.3) identifizierten wir eine hierarchische Sequenz molekularer Reaktionen, die eine homöostatische Erhöhung der Neurotransmitterfreisetzung ermöglichen. An der Drosophila melanogaster neuromuskuläern Endplatte zeigen wir, dass diese Potenzierung von (M)Unc13 abhängt. Mit Hilfe hochauflösender Mikroskopie und neuer Algorithmen zur Untersuchung der Ultrastruktur von Synapsen entdeckten wir, dass Synapsen hierfür schnell umgestaltet werden können und zeitlich zwei Potenzierungsphasen unterschieden werden können: Die schnelle Potenzierung beruht zunächst auf dem verfügbaren präsynaptischen Material. Aber dann erfolgt innerhalb von Minuten die zusätzliche Inkorporation mehrerer Proteine ins Zentrum der Synapsen. Dies ist erforderlich, um die Potenzierung über einen Zeitraum von Stunden bis Tagen aufrechtzuerhalten. Wir zeigten, dass sowohl die akute als auch die langanhaltende Potenzierung von (M)Unc13 abhängen und dass die selektive Manipulation (M)Unc13s im Fliegenhirn die Gedächtnisbildung stört, was darauf hindeutet, dass dieses Protein in mehreren Formen der Plastizität fungiert, einschließlich derjenigen, die zum Lernen benötigt werden. In der vierten Studie (2.4) stellten wir das erste schnelle und lichtinduzierte Lipid-Uncaging des Signallipids PI(4,5)P2 vor. Dies wurde mit schnellen elektrophysiologischen Aufzeichnungen der Neurosekretion kombiniert. Wir zeigten eine rasche Regulation (<1 s) der Transmitterfreisetzung durch PI(4,5)P2 und identifizierten in genetischen Experimenten die Proteine Synaptotagmin und (M)Unc13 als essentiell dafür. In der fünften Studie (2.5) untersuchten wir quantitativ die Verteilung der Distanzen zwischen synaptischen Freisetzungsstellen und spannungsgesteuerten Kalziumkanälen. Wir konnten zeigen, dass die Verteilung stark heterogen ist und dass dies direkte Effekte auf die sogenannte Kurzzeitplastizität hat, die schnellen Veränderungen synaptischer Antworten. Mittels stochastischer Simulationen wurden unterschiedliche Modelle der Kurzzeitplastizität untersucht und mit Experimentaldaten verglichen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Variabilität synaptischer Antworten und deren Kurzzeitplastizität am ehesten durch eine schnelle Regulation der partizipierenden synaptischen Freisetzungsstellen erklärbar sind. Durch die hier vorgestellten Studien wurden viele Erkenntnisse zum molekularen Aufbau, der Funktion und Regulation synaptischer Freisetzungsstellen gewonnen. Anders als zunächst erwartet, zeichnet sich zum jetzigen Zeitpunkt ab, dass Freisetzungsstellen hochdynamisch durch Kalzium und Signallipide reguliert werden können. Zukünftige Studien können physiologisch wichtige Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen liefern und wie diese synaptische Transmission auf verschiedenen Zeitskalen für Signalverarbeitung, Homöostase und Gedächtnisbildung modulieren.