The synapse between photoreceptors and OFF bipolar cells - molecular mechanism of parallel processing of visual signals
Final Report Abstract
Photorezeptoren der Wirbeltierretina setzen im Dunkeln kontinuierlich den Neurotransmitter Glutamat frei, der mittels postsynaptischer ionotroper Glutamatrezeptoren eine Spannungsänderung in nachgeschalteten Horizontal- und Off-Bipolarzellen auslöst. Eine spezielle präsynaptische Struktur in den Terminalien der Photorezeptoren, die Ribbon- oder Bandsynapse, gewährleistet eine dauerhaft hohe Freisetzungsrate. Ein wichtiger funktioneller Bestandteil der Ribbonsynapse ist das Protein Bassoon, dessen Fehlen zu einer deutlich verringerten Exocytose an der Photorezeptorsynapse führt. Wir haben im Rahmen dieses Forschungsantrags die Bedeutung von Bassoon für die synaptische Ubertragung zwischen Zapfenphotorezeptoren und postsynaptischen Horizontal- und Off-Bipolarzellen mit Hilfe einer Mauslinie untersucht, in der das Exon 4 und 5 des Gens für Bassoon deletiert ist (Bsn∆Ex4/5 ). Horizontalzelldendriten bilden mit Zapfenphotorezeptoren invaginierende Synapsen, bei denen die aktive Zone und die postsynaptischen Glutatmatrezeptoren unmittelbar gegenüber liegen. Wir konnten mit Hilfe von Patch-Clamp-Ableitungen zeigen, dass funktionelles Bassoon die Exocytoserate von Glutamat bei tonischer und induzierter Freisetzung erhöht. Dies ist auf eine höhere Geschwindigkeit zurückzuführen, mit der die Vesikelpools der Zapfenphotorezeptoren wieder aufgefüllt werden. Zudem verringert Bassoon die Freisetzung von Glutamat und induziert eine Umverteilung präsynaptischer Calciumkanäle, verbunden mit einer deutlichen Verringerung der Zahl der Kanäle. Off-Bipolarzellen kontaktieren Zapfenphotorezeptoren über basale Synapsen, die sich außerhalb der Invagination in einer Entfernung von bis zu 1 µm von der aktiven Zone befinden. Das Fehlen von Bassoon reduziert die synaptische Transmission zwischen Zapfenphotorezeptoren und Off-Bipolarzellen. Ähnlich wie bei den Horizontalzellen konnten wir in Bsn ∆Ex4/5 -Mutanten eine verringerte tonische und induzierte synaptische Aktivität nachweisen. Lichtantworten der Off- Bipolarzellen zeigten eine kleinere Amplitude und eine deutlich reduzierte zeitliche Kopplung an den Lichtreiz. Darüber hinaus fanden wir eine Reorganisation postsynaptischer Glutamatrezeptoren (GluK1) in den Dendriten von Off-Bipolarzellen. Wir haben im Rahmen dieses Antrags erstmals den Effekt einer funktionellen Mutation von Bassoon auf die Signalübertragung zwischen Zapfenphotorezeptoren und nachgeschalteten Horizontal- und Off-Bipolarzellen auf der Ebene einzelner Neurone systematisch untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine zentrale Funktion von Bassoon für die synaptische Ubertragung sowohl an invaginierenden als auch an basalen Kontakten hin. Die Reorganisation postsynaptischer Glutamatrezeptoren in der Bsn∆Ex4/5 -Mauslinie legt die Vermutung nahe, dass die Bedeutung von Bassoon über eine rein präsynaptische Funktion hinausgeht.
Publications
- (2016) Expression and localization of connexins in the outer retina of the mouse. Journal of Molecular Neuroscience 58: 178–192
Herrling R, Dorgau B, Schultz K, Feigenspan A, Weiler R, Dedek K, Janssen-Bienhold U
(See online at https://doi.org/10.1007/s12031-015-0654-y) - (2016) Functional roles of complexin3 and complexin4 at mouse photoreceptor ribbon synapses. Journal of Neuroscience 36: 6651–6667
Babai N, Sendelbeck A, Regus-Leidig H, Fuchs M, Mertins J, Reim K, Brose N, Feigenspan A , Brandstätter JH
(See online at https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4335-15.2016) - (2017) Analysis of RIM expression and function at mouse photoreceptor ribbon synapses. Journal of Neuroscience 37: 7848–7863
Löhner M, Babai N, Müller T, Gierke K, Atorf J, Joachimsthaler A, Peukert A, Martens H, Feigenspan A, Kremers J, Schoch S, Brandstätter JH, Regus-Leidig H
(See online at https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2795-16.2017) - (2017) Preparation of horizontal cell slices of adult mouse retina for electrophysiological studies. Journal of Visualized Experiments 119: e55173
Feigenspan A, Babai N
(See online at https://doi.org/10.3791/55173) - (2017) Prinzipien der Physiologie. 1. Aufl., Springer-Spektrum
Feigenspan, A
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-54117-3) - (2018) GlyT1 determines the glycinergic phenotype of amacrine cells in the mouse retina. Brain Structure and Function 223: 3251–3266
Eulenburg V, Knop G, Sedmak T, Schuster S, Hauf K, Schneider J, Feigenspan A, Joachimsthaler A, Brandstätter JH
(See online at https://doi.org/10.1007/s00429-018-1684-3) - (2019) Angiotensin-receptor-associated protein modulates Ca2+ signals in photoreceptor and mossy fiber cells. Scientific Reports 9: 19622
Barro-Soria R, Caicedo A, Jägle H, Merkel L, Zhao N, Knop G, Gierke K, Dannullis A, Castrop H, Brandstätter JH, Kirchhoff F, Feigenspan A , Strauß O
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-019-55380-8) - (2019) Signal transmission at invaginating cone photoreceptor synaptic contacts following deletion of the presynaptic cytomatrix protein Bassoon in mouse retina. Acta Physiologica 226: e13241
Babai N, Gierke K, Müller T, Regus-Leidig H, Brandstätter JH, Feigenspan A
(See online at https://doi.org/10.1111/apha.13241)
