Die Aktivität kleiner GTPasen und die Morphologie von Astrozyten als bestimmende Faktoren für die Ca2+-Aktivität

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Henneberger; Dr. Andre Zeug
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284079634

Astrozyten, die häufigsten Gliazellen in Gehirn, spielen aufgrund ihrer Funktion wie z.B. der Energieversorgung und des Neurotransmitterabbaus, eine tragende Rolle in der Regulation des neuronalen Netzwerks. Ihre besondere Morphologie erlaubt einer einzelnen Astrozyte auf tausende Synapsen zu wirken. Darüber hinaus konnte kürzlich gezeigt werden, dass Astrozyten synaptische Aktivität und Plastizität wahrnehmen und diese modulieren, wobei Ca2+-Signale in Astrozyten eine besondere Rolle spielen. Die Eigenschaften und vor allem die Ausbreitung der intrazellulären Ca2+-Signale, die auf Diffusion von Ca2+ beruht, hängt dabei stark von der Zellmorphologie ab. Astrozyten können so durch morphologische Änderungen die funktionellen Eigenschaften tausender Synapsen parallel modulieren. Die an der Morphologieregulation beteiligten Signalkaskaden sind bisher jedoch kaum verstanden. Deshalb haben wir geplant, die Rolle der kleinen GTPasen der Roh Familie bei der Regulation der Astrozyten-Morphologie und deren Einfluss auf die Ca2+-Signale aufzuklären. Zentrale Hypothese ist hier, dass die Rho-GTPasen die Astrozyten-Morphologie und somit die Ca2+-Signale dynamisch beeinflussen, was bedeutend für die Neuron Glia-Interaktion ist. Unsere Vorarbeiten bestätigen, dass in Astrozyten die Ca2+-Aktivität einem Potenzgesetz folgend verteilt ist, wobei der Exponent entsprechend unserer zentralen Hypothese von der Astrozytenmorphologie abhängt. Diese kann durch die transiente Expression der aktiven und dominant negativen Form der Roh-GTPasen wesentlich beeinflusst werden. Dies lässt vermuten, dass die Roh-GTPasen-Aktivität auch das Ca2+-Aktivität durch strukturelle Änderungen beeinflusst. Um diese in vitro Studien zu erweitern, entwickelten wir ein neues Verfahren zur Untersuchung der Morphologie in situ. Die damit gewonnenen Daten lassen vermuten, dass z.B. eine epileptische Aktivität ein potenter Auslöser für morphologische Änderungen in Astrozyten ist, was eine hohe RhoA-Aktivität voraussetzt. Alle diese Ergebnisse lassen vermuten, dass Rho-GTPasen die Astrozytenmorphologie und so auch die Ca2+-Aktivität wesentlich bestimmen, was von großer pathophysiologischer Bedeutung sein kann. Deshalb ist eines der wichtigsten Ziele, die spezifischen Mechanismen dieser Wechselwirkung aufzuschlüsseln. Dazu werden wir mit molekularen, pharmakologischen und optogenetischen Methoden durch Regulation der Rho-GTPasen die Astrozytenmorphologie aktiv modulieren und dabei die Veränderungen die Ca2+-Dynamik quantifizieren. Um die Aktivität der Rho-GTPasen zu quantifizieren, haben wir die Anwendung FRET-basierte Biosensoren erfolgreich etabliert. Somit können wir aufdecken, welchen Einfluss die GTPasen-induzierte Umstrukturierung der Astrozyten auf die Epileptogenese hat. Von dieser Studie erwarten wir somit neue Erkenntnisse über die grundlegenden Mechanismen der Regulation der Ca2+-Aktivität von Astrozyten unter physiologischen und pathologischen Bedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexey Semyanov