Optogenetische Analyse der neuropeptidergen Regulation der schnellen synaptischen Transmission an der neuromuskulären Synapse des Zebrabärblings

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Gottschalk
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459267427

Die Regulation der synaptischen Übertragung ist zentral für Plastizität und Homöostase, und ermöglicht Lernen sowie die Anpassung an neue Zustände. Die Erhaltung der Fähigkeit zur synaptischen Signalübertragung beruht auf der Verfügbarkeit Neurotransmitter-gefüllter synaptischer Vesikel (SV). Sie wird durch den „SV-Zyklus“ erreicht, der zum Recycling von SV führt. Synaptische Funktion kann im SV-Zyklus moduliert werden, durch Änderung 1) der Sensitivität der präsynaptischen Maschinerie für den Ca2+-Anstieg, 2) der Rate, mit der SVs aus dem Reservepool von SVs rekrutiert werden, und 3) des SV Neurotransmitter-Gehalts. In den letzten Jahren adressierten detaillierte Studien die akuten Mechanismen von SV-Freisetzung und –Recycling, mithilfe optogenetischer Stimulation und elektrophysiologischer oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen. Mein Labor analysierte, wie die akute cAMP-Erzeugung an der neuromuskulären Synapse von C. elegans ihre Funktion moduliert, und konnten eine vormals unbekannte Rolle von Neuropeptiden bei der Regulation der synaptischen Übertragung zeigen, durch Einfluss auf SV-Mobilität und Füllzustand. Die synaptische Übertragung wird somit dual reguliert: 1) Depolarisation und Ca2+ steuern die akute Fusion(-srate) von SVs, während 2) cAMP und peptiderge Signale den SV-Inhalt bestimmen. So können Motoneurone, zusätzlich zur Netzwerkaktivität zentraler Mustergeneratoren, auch neuromodulatorische Signale integrieren, z.B. in verschiedenen systemischen Zuständen. Wir wollen untersuchen, ob diese duale Kontrolle auch bei Wirbeltieren, insbesondere beim Zebrafisch, konserviert ist. Danio rerio ist als Wirbeltier-Modellsystem einzigartig, da es ermöglicht, dies in intakten Tieren zu analysieren (im Gegensatz zu neuronalen Zellkulturen, wie bei ähnlichen Analysen in Mäusen). Wir etablierten transgene Linien die Motoneuronen-Photostimulation (Kanalrhodopsin, photoaktivierte Adenylatzyklase) ermöglichen, und können somit licht-stimulierte Verhaltensänderungen und elektrophysiologische Analysen von Miniatur-Endplattenströmen (mEPCs) durchführen und quantifizieren. Wir wollen diese transgenen Linien mit Knockdowns und Knockouts vergleichen, denen Komponenten der Neuropeptid-Biogenese, oder ihrer Freisetzungsmaschinerie fehlen. Ferner wollen wir cAMP-induzierte Neuropeptidfreisetzung nachweisen, durch fluoreszenz-basierte Reporter, und eine kleine Anzahl an Kandidaten-Peptiden analysieren, die in Zebrafisch Motoneuronen exprimiert sind. Dies soll zeigen, ob die Peptide die Effektivität der Transmission verstärken, z.B. über Erhöhung der Quantengröße. Ebenso analysieren wir die synaptische Ultrastruktur von photostimulierten Synapsen. Unsere Arbeit adressiert, ob die Dual-Mode-Kontrolle der synaptischen Übertragung beim Zebrafisch, und damit vielleicht bei Wirbeltieren im Allgemeinen konserviert ist, und wird zukünftige Studien zu Krankheiten ermöglichen, welche durch Fehlregulation der synaptischen Übertragung charakterisiert sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen