Chemogenetische und optogenetische Kontrolle neuronaler Differenzierung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Petra Wahle
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406298856

Um erfolgreich zu differenzieren, müssen Neurone elektrisch aktiv sein. Und tatsächlich, depriviert man die Aktivität, wird die neurochemische Reifung z.B. die Expression von Funktionsmarkern wie GAD oder Parvalbumin gehemmt oder verzögert. Ebenso benötigen Neurone elektrische Aktivität für die strukturelle Reifung ihrer Neuriten und Synapsen. Wir schlagen vor, in Hirnschnittkulturen vom Cortex der Ratte mit zwei experimentellen Werkzeugen individuelle Neuronen zu aktivieren oder zu hemmen, und des Weiteren mittels der aktivierbaren Neuronen das Netzwerk zu aktivieren. Dazu benutzen wir die Optogenetik mit Channelrhodopsin sowie metabotrope Chemogenetik mit inhibitorischen (hMD4i) "designer receptors activated by designer drug", DREADD. Stimulation von hM4Di exprimierenden Neuronen mit dem selektiven Liganden CNO resultiert in Hyperpolarisation über das vermittelnde G-Protein und GIRK-Kanäle. Hingegen triggert gepulste Blaulicht-LED-Stimulation des Channelrhodopsins Depolarisationen mit experimentell regulierbarer Frequenz und Dauer. Mit LED- oder CNO-vermittelten Stimulationen wollen wir repetitiv über mehrere Tage in unterschiedlichen postnatalen Zeitfenstern Depolarizationen bzw. Hyperpolarisationen auslösen, die – so die Hypothese - die Reifung des individuellen Neurons beschleunigen bzw. verlangsamen. Außerdem könnten die depolarisierenden Reize zu einer Aktivierung des neuronalen Netzwerks führen, dies wird morphometrisch und biochemisch untersucht. DREADDs und Channelrhodopsin wurden bislang nur selten für entwicklungsbiologische Fragestellungen angewendet. Unser Fokus liegt auf Basket-Zellen, der häufigste Typ GABA-erger Interneurone der Hirnrinde sowie auf Pyramidalzellen. Wir wollen prüfen, ob die Entwicklung der Axonverzweigung und der axonalen Boutongröße und Boutondichte, der Länge und Position des Axoninitialsegments und die dendritische Komplexität in individuellen Channelrhodopsin- bzw. DREADD-exprimierenden Zellen sowie die Expression von Interneuronmarkern und Synapsenmolekülen auf der Netzwerkebene durch repetitive Stimulation regulierbar sind. Im Arbeitspaket Chemogenetik wollen wir prüfen, ob das „silencing“ zu Entwicklungsverzögerungen führt, in welchen ontogenetischen Zeitfenstern solche Manipulationen am effektivsten sind, und ob die Zellen die Defizite aufholen können, wenn man sie von der chemischen Hemmung befreit. Im Arbeitspaket Optogenetik wollen wir herausfinden, ob eher die Frequenz oder die Dauer der Depolarisation für die Differenzierung wichtiger ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen