Die Rolle entwicklungsbedingter Änderungen von Aktivität und Kalzium-Einstrom für Dendritenplastizität und Synaptogenese in Drosophila

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Pflüger, seit 9/2006 (†)
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17588114

Das Teilprojekt A7 im SFB 515 ist das Vorläufer-Projekt zu dem hier beantragten Projekt. Es untersucht Mechanismen für postembryonale dendritische und synaptische Umgestaltungen im Zentralnervensystem (ZNS). Als Modellsystem wird der Funktionswechsel eines identifizierten Motorneurons, MN5, während der Insekten-Metamorphose verwendet. Hierbei wird MN5 wird von einem langsamen Motorneuron, das einen tonisch kontrahierenden, larvalen Kriech-Muskel innerviert, zu einem schnellen Motorneuron umgebildet, das einen phasisch kontrahierenden Flug-Muskel innerviert. Die Integration in das adulte Netzwerk erfordert das Auswachsen neuer Dendriten, die Bildung neuer Synapsen und veränderte Membraneigenschaften. Wir konnten erstmals zeigen, dass diese postembryonalen Modifikationen während der Metamorphose neben der Kontrolle durch Steroidhormone auch durch aktivitäts- und Kalzium-abhängige Prozesse vermittelt werden. Des Weiteren deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass dendritische Wachstumskegel während des Wachstums durch Kalzium-Einstrom über den Status der Synaptogenese informiert werden, d.h. ihre Struktur durch synaptischen Eingang verändert wird. Um das funktionelle Wechselspiel zwischen dem Ausbilden von Dendriten und aktivitätsabhängigen Rückkopplungen während der Synaptogenese quantitativ zu untersuchen, haben wir neue Methoden entwickelt, mit denen die Verteilung von Synapsenmarkern auf Dendritenbäumen von konfokalen Bilderstapeln sehr genau rekonstruiert werden können. Dabei zeigt sich, dass dendritische Wachstumskegel weniger und kürzere Filopodien aufweisen, je mehr synaptischen Eingang sie erhalten, und dass Filopodien-Regression durch Kalzium-Einstrom vermittelt wird. Zusätzlich erlauben unsere Neuronen-Rekonstruktionen jetzt auch das Erstellen von Multi-Kompartiment Modellen vom sehr komplexen Dendritenbäumen. Auf dieser Basis wollen wir jetzt die zellulären Mechanismen für aktivitätsabhängige, strukturelle Veränderungen von dendritischen Wachstumskegeln, Filopodien und die Synapsen-Akquisition weiter untersuchen. Da uns in Manduca einige notwendige molekulare Werkzeuge und postsynaptische Marker nicht zur Verfügung stehen, haben wir das intrazelluläre Ableiten und retrograde Färben des homologen MN5 im genetischen Modellsystem Drosophila etabliert. Hierzu wird MN5 mit Green Fluorescent Protein (GFP) oder Kalzium Indikatoren genetisch gefärbt und unter optischer Kontrolle abgeleitet. Es sollen folgende drei Fragestellungen untersucht werden:1. Die quantitative Auswertung der Dendritenstruktur identifizierter Neurone in mutanten Drosophila Linien soll zeigen, welche Signalwege dendritischen Kalzium-Einstrom in strukturelle Veränderungen übersetzen.1.2. Mit Hilfe genauer Neuronen-Rekonstruktionen und Färbungen gegen Synapsenproteine sollen die Orte der Synaptogenese in sich entwickelnden Dendritenbäumen lokalisiert werden.1.3. Die Kombination von Imaging und Multi-Kompartiment Modellen soll zeigen, ob Wachstumskegel eines Dendritenbaumes unabhängig voneinander durch synaptische Aktivität und lokalen Kalzium-Einstrom reguliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Carsten Duch, bis 9/2006