In vivo analysis of mitochondrial dynamics and fate in axons and synapses

• Applicant: Professor Dr. Thomas Misgeld
• Subject Area: Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 323061152

Die homöostatischen Mechanismen, die den Lebenszyklus von neuronalen Mitochondrien in vivo regulieren sind weitgehend unverstanden. Besonders in Axonen und Synapsen spielen Mitochondrien wichtige Rollen, wie der Phänotyp von Invertebraten zeigt, denen Mitochondrien in Axonen und Synapses fehlen (Stowers et al., 2002; Verstreken et al., 2005): Synaptische Transmission ist gestört, und Axone werden destabilisiert. Tatsächlich scheinen axonale und synaptische Mitochondrien auch speziell neuronale Funktionen zu kontrollieren, wie beispielsweise das Verzweigungsmuster von Axonen, synaptische Plastizität oder die Ausbildung von Spines (Li et al., 2004; Courchet et al., 2013; Sun et al., 2014). Auch manifestieren sich Mutationen in mitochondrialen Fusions- und Fissionsgene bei Menschen oft als axonopathische Erkrankungen (Chen et al., 2006; Nunnari 2012). Dennoch ist nicht bekannt wo in einer ausgereiften Nervenzelle diese Formen der mitochondrialen Dynamik stattfinden. Derzeit steht somit einer Vielzahl von Funktionen, die axonalen und synaptischen Mitochondrien zugeschrieben werden, ein relativ eng umrissener Wissensschatz über das In-vivo-Verhalten dieser Organellen und ihr Verhältnis zum Gesamtpool neuronaler Mitochondrien gegenüber. Auch gliale Mitochondrien sind in das bioenergetische Netzwerk der axo-glialen Einheit eingebunden, doch ihre Rolle in der synaptischen und axonalen Funktion ist bisher weitgehend ungeklärt. Meine Arbeitsgruppe ist spezialisiert auf die Entwicklung, Plastizität und Pathologie der neuromuskulären Endplatte und von Motorneuronen, welche sich besonders für die intravitale Beobachtung von Mitochondrien eignen (z.B. Misgeld et al. 2002; Bishop et al., 2004; Misgeld et al., 2005, Brill et al. 2011). Wir haben eine Anzahl von Methoden entwickelt, die es uns erlauben, das dynamische Verhalten von Axonen und ihren Organellen in intakten Geweben von Mäusen und Zebrafischen zu untersuchen (Kerschensteiner et al., 2005; Misgeld et al., 2007; Plucinska et al., 2012). Diese Techniken, zusammen mit mitochondrial-lokalisierten Biosensoren und anderen Indikatoren, erlauben es uns zugleich den funktionellen Zustand neuronaler Mitochondrien (Breckwoldt et al., 2014), wie auch ihr physiologisches (Kleele et al., 2014; Williams et al, 2014) und pathologisches Zellumfeld (Nikic et al., 2011, Marinkovic et al. 2012; Sorbara et al., 2014) zu charakterisieren. Basierend auf diesen Ansätzen wollen wir nun untersuchen wie der mitochondriale Lebenszyklus in der Peripherie von Nervenzellen reguliert wird: Wie werden Mitochondrien in Nervenzellen zu ihren Zielkompartmenten transportiert? Wie werden sie verankert, was ist ihr lokales Verhalten und wie werden sie am Ende aus dem Kompartment entfernt? Durch Manipulation dieser Vorgänge und die Bestimmung der daraus resultierenden axonalen und synaptischen Phänotypen wollen wir besser verstehen wie Störungen an Mitochondrien zur Dysfunktion und Degeneration von Nervenzellen beitragen.

• DFG Programme: Research Grants