Mikrotubulimodifikationen und -severing regulieren axonales Remodeling während der neuromuskulären Synapsenelimination

• Antragstellerin: Dr. Monika Leischner-Brill
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Entwicklungsneurobiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450131873

In diesem Forschungsvorhaben plane ich die Rolle des mikrotubuläres Remodeling während der Synapsenelimination zu untersuchen. Synapsenelimination ist ein wesentlicher Schritt während der Entwicklung des Nervensystems, bei dem überschüssige Synapsen aktivitätsabhängig entfernt werden. An der neuromuskulären Endplatte sind anfangs mehrere Axone im Wettstreit, von denen sich am Ende alle bis auf eines zurückziehen. Das "Gewinner-Axon" ist dann stabil und bleibt lebenslang erhalten.Die hier skizzieren Ziele beruhen auf meinen bisherigen Ergebnissen, die zeigen dass der Verlust von Mikrotubuli einen frühen und entscheidenden Schritt der neuromuskulären Synapsenelimination darstellt. Der Verlust von Mikrotubuli führt zu reduziertem axonalem Transport in den betroffenen Axonästen. Mikrotubuli werden von Mikrotubuli-schneidenden Enzymen destabilisiert, wie z. B. Spastin. Dieser enzymatische Prozess beginnt lange bevor der axonalen Wettkampf um eine Synapse entschieden ist und verstärkt sich in "Verlierer-Ästen", wo er letztlich bestimmt, ob sich ein Ast endgültig zurückzieht. Spastin scheint nicht nur ast-spezifisch zu agieren, sondern bevorzugt eine besonders markierte Subpopulation von Mikrotubuli, die durch Polyglutamylierung gekennzeichnet sind. Polyglutamylierung ist eine posttranslationale Modifikation, die durch enzymatisches Anfügen (Glutamylasen) und Entfernen (Deglutamylasen) von Glutamat-Resten und -ketten entsteht. Dies führt zu einer "Tubulinkodierung", die Spastin auslesen kann: Polyglutamylierte Mikrotubuli werden selektiv geschnitten, was wiederum zur Destabilisierung derjenigen Axonäste führt, in denen solche posttranslationalen Modifikationen konzentriert sind.Um dieses Modell und seine Voraussagen zu untersuchen, plane ich folgendes Fragen zu beantworten:1) Wann während des vielschrittigen Prozesses der Synapsenelimination erfolgt das Zerschneiden von Mikrotubuli – bereits während des axonalen Wettkampfes oder erst später während des Axonabbaus?2) Wie wird Synapsenelimination durch Polyglutamylierung reguliert – dienen posttranslationale Modifikationen als instruktive Signale 'upstream' von Spastin?3) Reguliert Neurotransmission die Modifikation und das Zerschneiden von präsynaptischen Mikrotubuli – womit die postulierte Aktivitätsabhängigkeit eines zentralen zellbiologischen Mediators der Synapsenelimination bewiesen wäre?Da Axonverlust bei vielen neurologischen Erkrankungen vorkommt, werde ich in diesem Projekt nicht nur einen fundamentalen neuronalen Entwicklungsprozess untersuchen, sondern auch zellbiologische Mechanismen, die zu neurodegenerativen Krankheiten beitragen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen