Quantifizierung der synaptischen Ca2+ Bindungskinetik von Synaptotagmin-1, dem Ca2+ Sensor für Transmitterfreisetzung im Vorderhirn
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neurone des zentralen Nervensystems kommunizieren miteinander über die Kalzium vermittelte Freisetzung chemischer Neurotransmitter aus präsynaptischen Endigungen. Kalzium strömt durch spannungsgesteuerte Kanäle in eine präsynaptische Endigung ein, bindet an ein spezialisiertes Kalziumsensor Proteine (Synaptotagmin, Syt) welches an die Transmitter gefüllten Vesikel gebunden ist und deren Fusion triggert. Die räumliche Lagebeziehung zwischen den Kalzium Kanälen und den Vesikeln sowie die Kalzium Bindungskinetik des Sensorproteins sind wesentliche Bestimmungsgrößen für die Verlässlichkeit und Plastizität des synaptischen Übertragungsprozesses. Quantitative Details hierzu fehlten bisher für Synapsen der Großhirnrinde und waren Gegenstand des Projekts. Im Projekt fokussierten wir auf Synapsen zwischen Pyramidenzellen des Neocortex. Wir fanden dabei eine überraschend hohe Zuverlässigkeit dieser Synapsen. Diese hohe Zuverlässigkeit konnten wir durch Aufklärung der Struktur der Kalziumsignaldomänen und die Lagebeziehungen zwischen verschiedenen Kanalsubtypen und den Transmitter gefüllten Vesikeln im Laufe der postnatalen Reifung der Synapsen weitgehend erklären. Wir fanden darüber hinaus einen entwicklungsabhängigen Übergang von einer losen Mirkodomänen-Kopplung hin zu einer sehr engen Nanodomänen-Kopplung. Schließlich zeigten unsere Ergebnisse, dass im unreifen Cortex Kanäle vom N- und P/Q-Subtyp die Freisetzung triggern, während es im gereiften Cortex nur noch P/Q-Typ Kanäle waren. Diese strukturellen Veränderungen gingen mit funktionellen Veränderungen insbesondere in der synaptischen Plastizität einher. Hinsichtlich der Freisetzungssensoren sind Syt1 und Syt2 die hauptsächlichen Isoformen für die schnelle, Kalzium vermittelte Neurotransmission im Gehirn. Die Kalzium Bindungskinetik war bisher jedoch nur für Syt2, den Sensor des Hinterhirns studiert worden. Demgegenüber war die synaptische Bindungskinetik von Syt1, die dominierende Isoform der Großhirnrinde, bisher nicht quantifiziert worden. Im Projekt ist es uns gelungen die Kalziumbindungskinetik der Syt1 vermittelten Transmitterfreisetzung zu quantifizieren, wobei wir signifikante Unterschiede zur Syt2 vermittelten Transmitterfreisetzung fanden. Zusammen mit den obigen Befunden sind diese Unterschiede geeignet die hohe Zuverlässigkeit neocorticaler Synapsen zu erklären. Insgesamt wurden damit im Projekt wichtige Unbekannte für unser Verständnis des synaptischen Informationsflusses und seiner Regulation durch Plastizität an einer Synapse der Großhirnrinde aufgeklärt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Neocortical High Probability Release Sites Are Formed by Distinct Ca2+ Channel-to-Release Sensor Topographies during Development. Cell Reports, 28(6), 1410-1418.e4.
Bornschein, Grit; Eilers, Jens & Schmidt, Hartmut
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Synaptotagmin Ca2+ Sensors and Their Spatial Coupling to Presynaptic Cav Channels in Central Cortical Synapses. Frontiers in Molecular Neuroscience, 11.
Bornschein, Grit & Schmidt, Hartmut
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Developmental Increase of Neocortical Presynaptic Efficacy via Maturation of Vesicle Replenishment. Frontiers in Synaptic Neuroscience, 11.
Bornschein, Grit; Brachtendorf, Simone & Schmidt, Hartmut
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Calcium dependence of neurotransmitter release at a high fidelity synapse. eLife, 10.
Eshra, Abdelmoneim; Schmidt, Hartmut; Eilers, Jens & Hallermann, Stefan
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The intracellular Ca2+sensitivity of transmitter release from neocortical boutons. Cold Spring Harbor Laboratory.
Bornschein, Grit; Brachtendorf, Simone; Eshra, Abdelmoneim; Kraft, Robert; Eilers, Jens; Hallermann, Stefan & Schmidt, Hartmut
