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 seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459267427

Neuropeptide (NP) modulieren neuronale Aktivität und können interne Zustände definieren. NPs finden sich im zentralen Nervensystem, dienen aber auch der Kommunikation zwischen Gehirn und Peripherie sowie innerhalb des Körpers und des enterischen Nervensystems. Auch werden ihnen Funktionen in Entwicklung und Neuroprotektion zugeschrieben, darunter Rollen von Tachykinin/Substanz P und dem Neuropeptid PACAP bei amyotropher Lateralsklerose und spinobulbärer Muskelatrophie. Die Untersuchung der mechanistischen Aspekte der Beteiligung von NPs an der Entstehung der Erkrankungen von Motoneuronen ist bei Säugetieren schwierig, könnte aber bei einem einfacheren Wirbeltier leichter durchgeführt werden. In der letzten Förderperiode entwickelten wir optogenetische Werkzeuge und Analysemethoden für die Funktion der neuromuskulären Synapse (NMJ) im larvalen Zebrafisch. Wir erzeugten Knockout-Mutanten von Tachykinin (tac1) sowie von Carboxypeptidase E (cpe), die beide in cholinergen Motorneuronen vorkommen. Optogenetische Stimulation mit photoaktivierter Adenylylzyklase (bPAC) löste Bewegungsverhalten aus, das bei tac1- und cpe-Mutanten unerwartet stärker ausgeprägt war. Wir untersuchten die NMJ-Signalübertragung durch Messung evozierter postsynaptischer Ströme (EPSCs) im Muskel. bPAC-Aktivierung führte zu einem Anstieg der EPSC-Rate, jedoch konnte bei den Mutanten kein größerer Phänotyp festgestellt werden, abgesehen von einem Ungleichgewicht bei sehr großen und sehr kleinen EPSC-Amplituden. Daher analysierten wir auch die postsynaptischen Acetylcholinrezeptoren und stellten fest, dass diese in den Mutanten vermehrt exprimiert wurden. Somit wird hier vermutlich ein präsynaptisches ACh Ungleichgewicht durch Hochregulierung der postsynaptischen nAChRs kompensiert. In der nächsten Förderperiode wollen wir den Mechanismus der Hochregulierung der nAChRs und die Rolle zusätzlicher Neuropeptid-Mutanten in der NMJ-Funktion analysieren. Dazu erzeugten wir Mutanten in adcyap1b (PACAP2) und capsb, welches für CAPS kodiert, den wichtigsten Freisetzungsfaktor für NP-Vesikel. Diese Studien erfordern die Implementierung eines optogenetischen NP-Freisetzungsreporters. Wir werden untersuchen, ob eine Neuropeptidfehlfunktion Entwicklungsdefekte verursacht, die für die kompensatorische nAChR-Hochregulierung ursächlich sein könnten, und wir werden die Ultrastruktur der Präsynapsen untersuchen. Schließlich werden wir das Expressionsmuster und möglicherweise Knockdowns der Neuropeptid-Rezeptoren für tac1 und adcyap1b analysieren, welche die ACh-Freisetzung oder ACh-Detektion beeinflussen könnten, um den Wirkungsort der Peptide zu bestimmen. Unsere Arbeit wird Aufschluss über die Beteiligung von Neuropeptiden an der Funktion von Motorneuronen geben und könnte Informationen liefern, die die künftige Forschung im Bereich der Motorneuronenerkrankungen auch beim Menschen anleiten könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen