Optogenetische Kontrolle von Phosphoinositid an der Held‘schen Calyxsynapse der Maus

• Antragstellerin: Dr. Shuwen Chang, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401198782

Synaptische Reizübertragung erfordert eine effektive Übersetzung präsynaptischer Aktionspotentiale in Ca2+-getriggerte Fusion von synaptischen Vesikel (SV) innerhalb von Millisekunden. Um solch hohe Geschwindigkeit zu garantieren, docken SVs an die Plasmamembran an und befinden sich dort bereits vor Eintreffen des Aktionspotentials in einem fusionskompetenten Zustand. Dieser ganze Prozess findet an einer spezialisierten präsynaptischen Struktur, der sogenannten aktiven Zone statt, die eine komplexe molekulare Architektur mit räumlich organisierten lipid rafts aufweist und die Geschwindigkeit, Präzision und Plastizität der synaptischen Übertragung reguliert. Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) ist eines der Phospholipide, das sich auf der zytoplasmatischen Seite der aktiven Zone befindet. Seine hohe negative Ladung wird als bedeutend angesehen, um in der Signalkaskade nachgeschaltete Effektorproteine während der Exo- und Endocytose zu rekrutieren. Allerdings ist trotz jahrelangen, intensiven Studiums der Funktion von PIP2 seine regulatorische Wirkung auf die synaptische Übertragung immer noch weitgehend unklar, denn es gelang bisher nicht, die Konzentration von PIP2 an der präsynaptischen Membran räumlich und zeitlich zu modulieren. Die meisten bisherigen Untersuchungsmethoden beruhten auf pharmakologischer oder genetischer Manipulation von Lipid Kinasen/Phosphatasen. Allerdings sind die Kinasen/Phosphatasen nicht spezifisch, sondern haben ‚off-target‘ Effekte. Oder es werden langfristige kompensatorische Effekte beobachtet, die die Rolle von PIP2 verschleiern können. Diese technischen Einschränkungen können mit einem neuen optogenetischen PIP2-Auslöschungssystem (CIB1-CRY2) bei Säugerzentralnervensystemsynapsen, der Held Calyx, umgangen werden. Diese optogenetische PIP2-Freisetzung erlaubt die zeitlich kontrollierte, transiente und reversible Rekrutierung von Phosphatasen an die präsynaptische Membran mit Hilfe von optischer Anregung mit blauem Licht, wodurch eine schnelle, lokale Eliminierung von PIP2 innerhalb weniger Sekunden erreicht wird. Mittels Kombination von Zweiphotonen PIP2 live-imaging und prä- und postsynaptischer patch-clamp Aufzeichnung zielt das hier beantragte Projekt darauf ab, die funktionale Verknüpfung zwischen räumlicher Verteilung von PIP2 und SV Fusion herzustellen. Drei Hauptfragen möchte ich nachgehen: (1) Ob PIP2 das Schaltverhaltenen und die Anordnung von spannungsabhängigen Ca2+ Kanälen an präsynaptischen Endigungen reguliert. (2) Ob die PIP2-SV Wechselwirkung die Zahl der leicht freisetzbaren (readily releasable) SVs an der aktiven Zone bestimmt. (3) Ob PIP2 die synaptische Kurzzeitplastizität reguliert. Von der Beantwortung dieser Fragen erwarte ich neue Einblicke in die funktionale Rolle von PIP2 bei der synaptischen Übertragung und weiterhin ein besseres Verständnis der die synaptische Plastizität im Säugerzentralnervensystem regulierenden Mechanismen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Lu-Yang Wang, Ph.D.