Spinning disk-Mikroskop mit FRAP-Einheit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Erforschung dynamischer zellulärer Prozesse ermöglicht vertiefte Erkenntnissen über Zelldifferenzierungs- und Plastizitätsmechanismen, die z. B. für die Entwicklung und Funktion des Gehirns unabdingbar sind, erfordert dafür allerdings eine Kombination von hoher dreidimensionaler und zeitlicher Auflösung in lebenden Zellen. Unter anderem mittels hochaufgelöster 3D-live-Mikroskopie ist es kürzlich gelungen, einen für die Ausbildung des Cytoskeletts von Nervenzellen wesentlichen Signalweg aufzuklären und damit zur Klärung der Frage beizutragen, wie eine Nervenzelle die für ihre Funktion im Gehirn notwendige, sehr ausgedehnte und verzweigte Gestalt erreicht. Diese unter Einsatz der Spinning-Disk-Mikroskopie gewonnen Erkenntnisse, die zeigen wie die dynamische Bildung von Aktinfilamenten zeitlich und räumlich gesteuert wird, tragen wesentlich zum Verständnis von Entwicklungs- und Regenerationsprozessen von neuronalen Netzwerken bei. Vorausgehende Studien hatten gezeigt, dass das Protein Cobl für die frühe Gestaltausprägung des Signal-empfangenden dendritischen Baums von Nervenzellen von ausschlaggebender Bedeutung ist und dass Cobl eine Funktion innerhalb des Aktincytoskeletts ausübt, die den kritischen Schritt der Bildung von neuen Aktinfilamenten in Nervenzellen umfasst. Es blieb aber unklar, wie die Cobl-Maschinerie für die Aktinfilamentbildung in Zeit und Raum in Zellen gesteuert werden kann. Dass eine solche Steuerung existiert und auch notwendig ist, zeigt die aktuelle Studie. Mittels hoch-aufgelöster live-Mikroskopieexperimente konnte gezeigt werden, dass sich Cobl in sich entwickelnden Neuronen innerhalb von ca. 1-2 Minuten an sehr umgrenzten Punkten innerhalb des dendritischen Baumes von Nervenzellen ansammelt und dort dann zu Ausstülpungen von dendritischen Verzweigungen führt. Diese Fortsätze werden offensichtlich durch Kräfte eines starken lokalen Aufbaus von Aktinfilamenten angetrieben. In weiteren Arbeiten im Rahmen der Studie ist es dann gelungen, die Mechanismen der Kontrolle und Zielsteuerung der Cobl-Maschinerie im Detail aufzuklären. Es konnte mit Calmodulin ein Protein als Bindungspartner von Cobl identifiziert werden, welches auf Calcium-Signale reagiert. Calcium-Einstrom und sich (lokal) abrupt erhöhende Calcium-Konzentrationen in Zellen ist ein in der Biologie weitverbreitetes Prinzip zur Steuerungen von Zellfunktionen. Eine direkte Steuerung des Aktincytoskeletts durch Calciumsignale kannte man aber bis dato nicht. Genau dies zeigen aber nun die aktuellen Arbeiten: Die Funktionen von Cobl in der Nervenzellgestaltausbildung werden mittels durch Calcium aktiviertes Calmodulin direkt gesteuert. Aktiviertes Calmodulin lagert sich an verschiedene Bereiche von Cobl an und kontrolliert dadurch sowohl die Aktinfilamentbildungsfunktion von Cobl als auch seine Zielsteuerung zu bestimmten Abschnitten der Plasmamembran von Nervenzellen. Damit konnten nicht nur die molekularen Mechanismen im Detail aufgeklärt sondern die Notwendigkeit der Calmodulin-Steuerung von Cobl für die korrekte Ausbildung des Signal-empfangenden Baumes von Nervenzellen auch durch Experimente am Spinning-Disk-Mikroskop in sich zu neuronalen Netzwerken entwickelnden Nervenzellen herausgearbeitet werden. Diese Arbeiten tragen nicht nur zu einem erweiterten Verständnis grundlegender zellbiologischer Prozesse wie der Steuerung des Cytoskeletts bei, sondern enthüllen zudem, wie in der Entwicklung des Gehirns sichergestellt wird, dass Nervenzellen die für ihre Funktion notwendige, sehr ausgebreitete und verzweigte Gestalt annehmen. Darüber hinaus ist bekannt, dass es z.B. nach Verletzungen des Kopfes und während eines Schlaganfalls zu starken Ausschlägen des normalerweise sehr niedrigen und stark regulierten Calciumniveaus von Nervenzellen kommt. Ein Verständnis der durch solche Signale ausgelösten Veränderungen und Störungen von Nervenzellfunktionen ist demzufolge eine Grundvoraussetzung für kausale Therapien und neue Behandlungsansätze zur Wiederherstellung von Gehirnfunktionen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Cell type-specific delivery of short interfering RNAs by dyefunctionalised theranostic nanoparticles. Nat Commun. 2014; 5:5565
Press AT, Traeger A, Pietsch C, Mosig A, Wagner M, Clemens MG, Jbeily N, Koch N, Gottschaldt M, Bézière N, Ermolayev V, Ntziachristos V, Popp J, Kessels MM, Qualmann B, Schubert US, Bauer M
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Terminal axonal arborization and synaptic bouton formation critically rely on abp1 and the arp2/3 complex PLoS One. 2014; 9: e97692
Koch N, Kobler O, Thomas U, Qualmann B, Kessels MM
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The actin nucleator Cobl is controlled by calcium and calmodulin. PLoS Biol. 2015; 13: e1002233
Hou W, Izadi M, Nemitz S, Haag N, Kessels MM, Qualmann B
