Dynamic regulation of small Rho GTPases via serotonin receptors in neurons: Effects on the cytoskeleton, neuronal morphology and functions

• Antragsteller: Professor Dr. Evgeni Ponimaskin
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230769568

Die Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts ist einer der kritischen Schritte in der Regulation der neuronalen Morphologie und der Motilität. Die Dynamik der Zytoskelett-Organisation in Neuronen wird dabei von kleinen GTPasen der Rho-Familie, welche RhoA, Rac1 und Cdc42 enthält, kontrolliert. Die Rho-GTPasen sind auch wichtige Regulatoren für die strukturelle Plastizität von Dendriten und Spines. Einige Studien deuten darauf hin, dass Rac1 und Cdc42 positive Regulatoren für die Förderung des Neuritenwachstums und die Bildung von dendritischen Filopodien sind. Dagegen begünstigt die Aktivierung von RhoA Stressfaserbildung, welches zu Neuritenrückbildung führt. Auch wenn die Bedeutung der kleinen GTPasen weithin anerkannt ist, sind die Signalwege, die die Aktivität der kleinen GTPasen in Neuronen regulieren, nur unvollständig charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass der Serotonin-Rezeptor 5-HT4 über das G13 Protein RhoA aktivieren kann und so eine RhoA-vermittelte Neuritenrückbildung verursacht. Wir konnten auch Cdc42 als neuen Effektor des 5-HT7-Rezeptor/G12-Protein Signalwegs identifizieren. Die Stimulation dieses Signalwegs fördert das Neuritenwachstum, unterstützt die Synaptogenese und verstärkt die synaptische Aktivität in hippokampalen Neuronen. Bislang sind jedoch die molekularen Mechanismen für die koordinierte Interaktion dieser gegensätzlich agierenden Signalwege kaum verstanden.Deshalb ist ein zentrales Ziel dieses Projektes, die molekularen Mechanismen zu untersuchen, durch welche die 5-HT4 und 5-HT7 Rezeptoren die räumliche Anordnung und die aktivitätsabhängige Umverteilung der kleinen GTPasen regulieren. Beginnen werden wir mit der Untersuchung der Effektoren der 5-HT4/G13/RhoA und 5 HT7/G12/Cdc42 Signalwege, gefolgt von der quantitativen Beschreibung ihrer Aktivität, speziell in Bezug auf die Reorganisation des Aktin-Zytoskeletts. Des Weiteren werden wir das räumlich-zeitliche Aktivitätsprofil von Cdc42 und RhoA mit Hilfe von FRET-basierten Biosensoren analysieren, sodass wir detaillierte Informationen über die funktionelle Interaktion dieser GTPasen innerhalb von komplexen Netzwerken erhalten.Das zweite Hauptziel des Projektes ist, die Bedeutung der Rezeptor-vermittelten Zytoskelett-Reorganisation für die Modulation der neuronalen Morphologie, die Bildung dendritischer Spines, der Synaptogenese und der synaptischen Plastizität zu erforschen. Diese Studien werden in primären und organotypischen Kulturen hippokampaler Neurone der Maus durchgeführt. Die funktionelle Bedeutung des 5-HT4/G13 Signalwegs wird auch in vivo überprüft. Darüber hinaus werden wir mit Hilfe des Modells der Exzitotoxizität-induzierten neuronalen Schäden den Beitrag des 5-HT7/G12-Sigalwegs zum neuronalen Schutz und zur Regeneration untersuchen. Diese Experimente werden uns Informationen über die mögliche therapeutische Rolle des 5-HT7/G12-Signalwegs als neuroprotektives und neuroregeneratives Mittel liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Andre Zeug