Analyse der PKA-abhängigen synaptischen Plastizität in Moosfaser-Synapsen des Hippocampus mithilfe neuartiger optogenetischer Werkzeuge

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Nagel
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417451587

Synaptische Plastizität spielt eine wichtige Rolle im Gehirn und wird als einer der wichtigsten Prozesse für Lernen und Gedächtnis angesehen. Während in vielen Synapsen langfristige Verstärkung durch post-synaptische Mechanismen gewährleistet wird, gibt es einige, die sich durch präsynaptische Plastizität auszeichnen, erkennbar an Änderungen der Vesikel-Ausschüttung. Zu diesen Synapsen zählen insbesondere diejenigen der Hippocampus-Moosfasern (MF), der parallelen Fasern des Cerebellums und der motorischen Endplatte von Drosophila melanogaster. Interessanter Weise hängt diese präsynaptische Plastizität von präsynaptischer Aktivierung der cAMP-abhängigen Proteinkinase (PKA) in all diesen Synapsen ab. Die molekularen Mechanismen dieser PKA-abhängigen präsynaptischen Plastizität sind weitgehend unverstanden. Die Kontrolle über PKA-Aktivierung konnte bisher nur über Adenylatcyclase-Agonisten, wie Forskolin (FSK), oder über Agonisten des metabotropen Glutamat-Rezeptors erreicht werden. Diese Agonisten wirken aber auf prä- und post-synaptische Neuronen, sowie auf nicht-neuronale Zellen. Da ihr Effekt nicht auf die Synapse beschränkt und meist irreversibel ist, sind sie nicht ideal für die Analyse von Synapsen-spezifischer Aktivierung von PKA. Angesichts dessen ist die Fähigkeit, PKA in den Synapsen einer genetisch identifizierbaren Untergruppe von Zellen zu manipulieren, bei der Untersuchung präsynaptischer, PKA-abhängiger Mechanismen sehr hilfreich. Dementsprechend sind die aktuellen Projektziele: a) Entwicklung, Optimierung und Charakterisierung neuartiger optogenetischer Werkzeuge zur Synapsen-spezifischen Kontrolle der PKA-Aktivierung, b) Untersuchung der Effekte dieser neuartigen optogenetischen Werkzeuge auf die synaptische Transmission in der MF-Synapse, c) Untersuchung, ob lokale prä- oder post-synaptische PKA-Aktivierung ausreicht, um die synaptische Transmission zu verstärken, d) Aufklärung der Veränderungen in der molekularen Organisation der Präsynapse nach PKA-Aktivierung, mit Hilfe von "Super Resolution" Mikroskopie und e) Untersuchung der Beteiligung von PKA-downstream-Targets an der synaptischen Potenzierung. Wir werden unsere Kräfte bündeln, indem wir die Expertise im Labor von Prof. Nagel für die Entwicklung neuartiger Licht-aktivierter PKA-Werkzeuge nutzen und diese mit den in Prof. Asherys Labor entwickelten genetischen und physiologischen Ansätzen kombinieren, um PKA nur in Moosfasern zu aktivieren und die Auswirkung auf die synaptische Plastizität und deren molekulare Mechanismen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Uri Ashery, Ph.D.