Developmental changes in Ca2+ influx release coupling at the active zone of excitatory cortical synapses
Final Report Abstract
Informationen werden zwischen Nervenzellen meist über chemische Synapsen ausgetaucht. Kalzium das durch spannungsgesteuerte Kanäle (VGCCs) in die präsynaptische Endigung einströmt, löst durch Bindung an ein Kalzium-Sensorprotein die Fusion synaptischer Vesikel (SV) und die Freisetzung des chemischen Überträgerstoffes aus. Die räumliche Beziehung zwischen VGCCs und dem Sensorprotein (Kopplungsdistanz) ist daher eine wichtige Determinante der Verläßlichkeit und Geschwindigkeit der synaptischen Übertragung sowie ihrer Modulation durch synaptische Plastizität. Daher sind Kopplungsdistanzen bereits an mehreren Synapsen quantifiziert worden, über zelluläre und molekulare Mechanismen der Regulation der Kopplungsdistanz ist jedoch wenig bekannt. Ziel des Projekts war es, die Hypothese, daß die Kopplungsdistanz in erregenden Synapsen in Rindenstrukturen des Säugergehirns entwicklungsabhängig reguliert wird, zu testen. Wir fokussierten auf die Parallelfaser – Purkinjezellsynapse (PF-PN) in der Kleinhirnrinde, eine der häufigsten Synapsen im gesamten Gehirn und fanden, daß es tatsächlich einen entwicklungsabhängigen Übergang von loser, Mikrodomänenkopplung zu enger, Nanodomänenkopplung gibt. Während Synapsen in jungen Mäusen (8-10 Tage alt) mit Mikrodomänenkopplung arbeiteten, operierten Synapsen in älteren Mäusen (21-24 Tage alt) mit Nanodomänenkopplung. Trotz der aus der Nanodomänenkopplung resultierenden hohen Wahrscheinlichkeit für die Freisetzung eines SV, die zu schneller Erschöpfung des kleinen Vorrats an freisetzungsbereiten SV (N = 3) und damit zu einer synaptischen Depression führen sollte, zeigen PF-PN Synapsen eine ausgeprägte Bahnung. Im Projekt konnten wir klären, daß dies aus einer sehr schnellen, aktivitätsabhängigen Rekrutierung von neuen Freisetzungsstellen (Vergrößerung von N), resultiert. Schließlich haben wir im Projekt mit dem synaptischen Protein Munc13-3 einen molekularen Mediator des altersabhängigen Übergangs von Mirko- zu Nanodomänenkopplung identifiziert. Insbesondere dieser letzte Befund hat weitreichende Implikationen für zukünftige Arbeiten, da Munc13-3 zur Etablierung der engen Kopplung mit anderen synaptischen Proteinen interagieren wird. Darüber hinaus wäre es interessant zu klären, ob und wie die Kopplungsdistanz in Synapsen der Großhirnrinde reguliert wird, da diese kein Munc13-3 exprimieren.
Publications
- (2014). Munc13-3 superprimes synaptic vesicles at granule cell-to-basket cell synapses in the mouse cerebellum. J. Neurosci. 34(44): 14687-14696
Ishiyama S., Schmidt H., Cooper B.H., Brose N. & Eilers J.
(See online at https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2060-14.2014) - (2015). A use-dependent increase in release sites drives facilitation at calretinin-deficient cerebellar parallel-fiber synapses. Front. Cell. Neurosci. 9
Brachtendorf S., Eilers J. & Schmidt H.
(See online at https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00027) - (2015). Developmental tightening of cerebellar cortical synaptic influx-release coupling. J. Neurosci. 35(5): 1858-1871
Baur D., Bornschein G., Althof D., Watanabe M., Kulik A., Eilers J. & Schmidt H.
(See online at https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2900-14.2015) - (2017). Frequency-dependent mobilization of heterogeneous pools of synaptic vesicles shapes presynaptic plasticity. eLife
Doussau F., Schmidt H., Dorgans K., Valera A. M., Poulain B. & Isope P.
(See online at https://doi.org/10.7554/eLife.28935) - (2018). Munc13-3 is required for the developmental localization of Ca2+ channels to active zones and the nanopositioning of Cav2.1 near release sensors. Cell Reports 22, 1965-1973
Kusch, V., Bornschein, G., Loreth, D., Bank, J., Jordan, J., Baur, D., Watanabe, M., Kulik, A., Heckmann, M., Eilers, J., & Schmidt, H.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.02.010)
