Active zone core proteins in interaction with synaptic Ca2+ channels

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan J. Sigrist
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230148358

An präsynaptischen aktiven Zonen lösen Ca2+-Kanäle die Freisetzung synaptischer Vesikel (SVs) aus und übertragen so neuronale Informationen. Aktive Zonen werden durch einen evolutionär konservierten Komplex (primäre Bestandteile: RIM, Munc13, RIM-bindendes Protein (RBP), alpha-Liprin, und ElKS Proteine) aufgebaut, wobei RIM und RBP vermittels hoch konservierter Bindungsmotive direkt mit den intrazellulären C-Termini der Ca2+-Kanäle interagieren. Physiologische Analyse zeigt, dass Ca2+-Kanäle in sehr engem Abstand von den SVs (10 bis 100 nm) operieren. Diese Nanodomänen-Kopplung ist prinzipiell für die Effektivität synaptischer Übertragung und damit für korrekte Informationsverarbeitung im Nervensystem wichtig. Weiterhin ist hierbei interessant, dass vor kurzem bei autistischen Patienten Mutationen in den RBP-Loci identifiziert werden konnten. Allerdings sind die molekularen Mechanismen im Verhältnis zwischen Proteinen der aktiven Zone und Ca2+-Kanälen weitestgehend unverstanden und eine Deutung derartiger Befunde demnach erschwert. Unsere jüngsten Arbeiten an neuromuskulären Synapsen von Drosophila zeigen, dass der Verlust von entweder RBP oder ELKS-Familien-Protein Bruchpilot (BRP) i) strukturelle Defizite an aktiven Zonen einschließlich einem Verlust von Ca2+-Kanälen ii) Defizite in der basalen Übertragung iii) schwere Verluste der SV Freisetzungswahrscheinlichkeit mit atypischer Fazilitierung provoziert. Ob hierbei Defekte bei der Etablierung räumlicher Nähe zwischen Ca2+-Kanälen/SVs oder beim Aufbau biochemischer Gerüste (scaffolding) bestimmend sind blieb allerdings ungeklärt. Der Ca2+-Kanal Cacophony (CAC) ist für SV Freisetzung an den glutamatergen, neuromuskulären Synapsen von Drosophila allein verantwortlich. Die Abwesenheit genetischer Redundanz wollen wir nutzen um die Rolle von Protein-Interaktionen zwischen den intrazellulären Domänen von CAC und den angesprochenen Proteinen der aktiven Zone systematisch zu untersuchen. Spezifische Interaktionen sollen hierbei durch die Einführung geeigneter Punktmutationen gestört und deren Konsequenzen detailliert elektrophysiologisch charakterisiert werden (SV Freisetzungswahrscheinlichkeit, Zahl freisetzbarer SVs, Fazilitierung). Die Protein-Architektur aktiver Zonen könnte - in enger Nachbarschaft zu den Kanälen - Positionen für SV Bindung und Freisetzung dauerhaft definieren (slots). Diese Hypothese versuchen wir auf ultrastrukturellem Niveau (Channelrhodopsin-vermittelte Stimulation gefolgt von elektronenmikroskopischer Tomographie) zu testen. Schliesslich wollen wir untersuchen, ob direkte Kontakte zwischen CAC / RBP und den direkten Komponenten der SV Freisetzung (insbesondere unc-13-Familie) existieren und für effektive SV Freisetzung eine Rolle spielen. Durch die Fokussierung auf diskrete Interaktionen hoffen wir strukturelle von genuin funktionellen Defiziten genetisch zu trennen und hierdurch Einblicke in allgemeine Funktionsprinzipien der aktiven Zonen zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen