Endogene Calciumpuffer: Rolle für räumliche Calciumsignalgebung und Induktion synaptischer Plastizität

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Dietrich
• Fachliche Zuordnung: Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 102991478

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Nervenzellen reagieren über einen großen Zeitbereich von wenigen Millisekunden bis hin zu Minuten und Stunden auf Veränderungen in ihrer Umgebung und Veränderungen der Aktivität von mit ihnen verschalteten anderen Nervenzellen. Eines der wichtigsten intrazellulären Signale, welche diese Reaktionen vermitteln ist die intrazelluläre freie Calciumkonzentration. Die Grundprinzipien neuronaler Calciumsignalgebung sind inzwischen gut verstanden. So sind die Mechanismen des Calciumeinstroms, der Bindung an intrazelluläre Calcium-bindende Proteine und die Entfernung von Calciumionen aus der Zelle recht detailliert untersucht. Hingegen ist kaum verstanden, wie sich intrazelluläre Calciumionen in der Nervenzelle ausbreiten. Diese Ausbreitung ist ein wesentlicher Vorgang, da fast alle Nervenzellen im zentralen Nervensystem eine komplexe und in der Regel über einige 100 µm gestreckte und verzweigte Struktur aufweisen (Dendritenbaum). Entlang ihrer verzweigten Struktur finden sich Tausende von Calciumquellen in Form von zum Beispiel Synapsen. Es ist nicht klar welches die Reichweite von intrazellulären Calciumionen ist, welche Faktoren in welchen Zelltyp die dominierende Rolle bei der Einschränkung der räumlichen Ausbreitung spielen und damit ist auch unklar wie beschränkt oder ausgedehnt die Wirkung von Calciumionen ist und wie unabhängig benachbarte Synapsen voneinander operieren können. In diesem Projekt haben wir die Rolle des weit verbreiteten Calcium-bindenden Proteins Calbindin und von fixierten intrazellulären Calciumpuffern bei der Ausbreitung von Calciumsignalen untersucht. Diese Untersuchungen wurden mit konfokalem Calcium-Imaging und der Patch-clamp Methode an Hirnschnitten durchgeführt. Es war zu erwarten, dass fixierte Calciumpuffer zwar vorhanden sind und die Ausbreitung von Calciumsignalen verlangsamen und/oder einschränken, jedoch ging man davon aus, dass die Konzentration solcher Puffer recht gering wäre und funktionell wenig ins Gewicht fällt. Wir machten die überraschende Beobachtung, dass entgegen früheren Erwartungen Nervenzellen nicht nur einen sehr hohen Gehalt an fixierten Calciumpuffer aufweisen können, sondern dass sich verschiedene Nervenzelltypen, zum Beispiel Hauptzellen gegenüber Interneurone, hinsichtlich ihres Gehalts an fixierten Calciumpuffern erheblich unterscheiden können. Weiterhin fanden wir heraus, dass die von uns untersuchten Hauptzellen eine Konzentration an Calbindin exprimieren, welche nahezu den hohen Gehalt an fixierten Calciumpuffer neutralisiert. Auf diese Weise wird unter normalen Bedingungen Calcium zu einem weit reichenden intrazellulären Botenmolekül. Da Calbindin jedoch eine hohe Affinität für Calciumionen hat, ist die Reichweite dieses Botenstoffes von neuronaler Aktivität abhängig: Unsere Daten erlauben vorherzusagen, dass nach einer Salve von Aktionspotenzialen, die die intrazelluläre Calciumkonzentration bis in den niedrigen mikromolaren Bereich erhöht, Bindungsstellen von Calbindin gesättigt werden und dadurch die Reichweite von Calciumionen erheblich eingeschränkt wird. Diesen Mechanismus kann man als negatives Feedback betrachten, das eine allzu weit reichende Wirkung von Calciumionen eindämmt. Wir stellten eine weitere unerwartete Beobachtung an: im Zusammenspiel mit der hohen Konzentration an fixierten Calciumpuffern bekommt die bekanntermaßen geringe Calcium-Assoziationsrate von Calbindin eine wichtige funktionelle Bedeutung. Die vermutlich niedrig affinen fixierten Calciumpuffer binden Calcium relativ schnell, so dass Calbindin nur verzögert Calciumionen aufnehmen kann. Auf diese Weise wirkt Calbindin wie ein Hochpassfilter für schnelle Calciumsignale, und im Wesentlichen durch seinen fördernden Einfluss auf die räumliche Ausbreitung intrazellulärer Calciumionen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Fixed endogenous calcium buffers in hippocampal dentate granule cells. Abstract No. 043.34, Forum of European Neuroscience 2010 meeting, Amsterdam, The Netherlands
  Matthews, Dietrich
  
• The role of calbindin and fixed buffers in shaping the spatial domain & time course of calcium signals in dentate granule cells. Abstract No. 240.24, Neuroscience Meeting Planner, San Diego, CA: Society for Neuroscience 2010
  Matthews, Dietrich
  
• Fixed buffer capacity varies between principle cells and interneurons and determines the duration of local dendritic calcium elevations. Abstract, New Orleans, LA: Society for Neuroscience 2012
  Matthews, Dietrich
  
• (2013) Tuning local calcium availability: cell-type specific immobile calcium buffer capacity in hippocampal neurons. J Neuroscience, 33(36):14431-45
  Matthew EA, Schoch S, Dietrich D
  
• Minimally disruptive quantification of endogenous calcium binding using fluorescent lifetime imaging (FLIM). Abstract, Washington DC: Society for Neuroscience 2014
  Matthews, Dietrich
  
• (2015) Buffer mobility and the regulation of neuronal calcium domains. Front Cell Neurosci. 2015 Feb 20;9:48
  Matthew EA, Dietrich D