Funktionelle Nanoskopie der synaptischen aktiven Zone

• Antragsteller: Professor Dr. Robert J. Kittel
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286415047

Ein grundlegendes Verständnis biologischer Prozesse erfordert Information zu Struktur-Funktionzusammenhängen. Während die Identifikation synaptischer Proteine stetige Fortschritte macht, ist weitestgehend unklar, wie deren nanoskopische Organisation Neurotransmission vermittelt. Dies ist vor allem auf die Auflösungsgrenze konventioneller Lichtmikroskopie zurückzuführen, welche den Zugang zur räumlichen Nanodomäne in einem physiologisch relevanten Kontext erschwert. Das beantragte Forschungsprojekt widmet sich der aktiven Zone (AZ), einer hoch spezialisierten Region der Präsynapse, an der Neurotransmitter freigesetzt werden. Aus der präzisen Molekulararchitektur der AZ ergeben sich verschiedene funktionelle und strukturelle Zustände, welche chemische Neurotransmission prägen und die Hirnfunktion wesentlich beeinflussen. Mittels technologischer Innovationen wird dieses Projekt die Hypothese prüfen, dass der funktionelle Status der AZ durch die Anzahl und die genaue räumliche Anordnung spezifischer Moleküle beschrieben werden kann.Um Zugang zur molekularen Ebene zu schaffen, wird der genetisch zugängliche Organismus Drosophila melanogaster Einsatz finden. Im ersten Projektabschnitt wird die Expression synaptischer Proteine manipuliert werden, mit dem Ziel, die molekulare Organisation der AZ zu verändern. Als nächstes wird funktionelle Nanoskopie, d.h. die korrelative Anwendung von Elektrophysiologie und hochauflösender Lichtmikroskopie, Schlüsselproteine der AZ beleuchten, um quantitative, kausale Zusammenhänge zwischen der molekularen Ultrastruktur und der Funktion der AZ, also Blaupausen der AZ, herauszuarbeiten. Im zweiten Projektabschnitt werden neue optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden, um aktivitätsabhängige Plastizität der AZ in vivo auszulösen. Die erarbeiteten Blaupausen werden dann dazu dienen, die molekularen Mechanismen dieser physiologischen Veränderungen der AZ zu interpretieren. Dieses Forschungsprojekt wird untersuchen, wie Funktion und Ultrastruktur der AZ miteinander verwoben sind und erforschen, wie nanoskopische Reorganisationen von Schlüsselmolekülen Plastizitätsmechanismen vermitteln, die auf verschiedenen Zeitskalen in vivo stattfinden. Auf diesem Wege wird eine Synergie von Elektrophysiologie, hochauflösender Fluoreszensmikroskopie und Optogenetik helfen, grundlegende Organisationsprinzipien der Hirnfunktion zu klären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen