Rein optische in vivo Analyse der Gap-Junction-Funktion in einer Muskelpumpe

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Gottschalk
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Anatomie und Physiologie ; Biochemie und Physiologie der Tiere ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579717010

Gap Junctions (GJs) bestehen aus interzellulären Ionenkanälen, die schnelle elektrische Signale vermitteln. Sie vermitteln essentielle Koordination oder Synchronisation der Aktivität in Zellverbänden wie im Herzen oder im Nervensystem. Fehlfunktionen von GJs führen daher oft zu Krankheiten wie Epilepsie oder Herzerkrankungen. GJ-Kanäle bestehen aus Innexinen oder, bei Wirbeltieren, Connexinen, die hexamere Halbkanäle bilden. Diese verbinden sich mit je einem zweiten Halbkanal in der Nachbarzelle und koppeln so deren Zytoplasmata miteinander. GJ-Kanäle können durch Einzelkanal-Elektrophysiologie, oder, als große GJ-Kanal-Ensembles aus mehreren Zehntausend Kanälen, durch whole-cell-patch-clamp in präpariertem Gewebe oder in Zellkulturen untersucht werden. Jedoch ist über die elektrische Wechselwirkung von erregbaren Zellensembles in vivo weit weniger bekannt, weshalb uns ein ganzheitliches Bild davon fehlt, wie Organe wie das Herz ihre komplexe Funktion koordinieren. Wir wollen die einzigartige Gelegenheit nutzen, die durch das Tiermodell Caenorhabditis elegans geboten wird, um ein solches, ganzheitliches Bild von einem intakten Muskelorgan in vivo zu erhalten. Der Pharynx, das Fressorgan, ist eine Muskelpumpe die in ihrer Organisation und Verwendung spannungsgesteuerter Ionenkanäle dem Herzen von Säugetieren ähnelt. Die Expression einzelner Innexin-GJ-Untereinheiten ist im Pharynx bis hin zum einzelnen Zelltyp bekannt. Die Pumpaktivität beginnt mit einer koordinierten Depolarisation des gesamten Organs, gefolgt von einer räumlich-zeitlich distinkten Repolarisation in den vorderen und hinteren Regionen. Kürzlich haben wir rein optische Methoden zur Bildgebung und zur Manipulation des Membranpotentials mit zellulärer Auflösung mithilfe optogenetischer Werkzeuge entwickelt. Damit können wir die elektrische Aktivität in intakten Tieren in vivo aufzeichnen und in ‚closed-loop‘ kontrollieren. Wir werden damit alle in den Pharynxmuskeln und Marginalzellen exprimierten Innexine charakterisieren. Außerdem werden wir das Fehlen einzelner Innexine auf die Potentialfluktuationen in den beiden Geweben, zeitgleich, mit zwei verschiedenfarbigen fluoreszierenden Spannungsindikatoren messen. Diese Analyse wird mit elektrophysiologischen Messungen kombiniert, um die Auswirkungen des Verlusts einzelner Innexine auf die zelluläre Erregbarkeit zu messen. Nach Ermittlung der Zusammensetzung und Eigenschaften der in verschiedenen Pharynxteilen exprimierten GJ-Kanäle, werden wir entsprechende Heteromere in Körperwandmuskeln exprimieren und charakterisieren. Diese Muskeln sind für optogenetische Manipulation einzelner Zellen sowie Patch-Clamp-Elektrophysiologie zugänglich. Schließlich werden wir unsere Erkenntnisse in ein umfassendes mathematisches Modell der elektrischen Aktivitäten in diesem Organ einfliessen lassen, um zu verstehen, wie unterschiedliche GJs und ihre Eigenschaften zu diesen Funktionen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen