Optische Analyse von Glycin- und D-Serin-Signalen mittels neuentwickelter Sensoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Dirk Dietrich; Professor Dr. Christian Henneberger; Professorin Dr. Susanne Schoch McGovern
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426810070

Lernprozessen liegt häufig eine anhaltende Veränderung der Stärke erregender synaptischer Verbindungen zugrunde. Diese plastischen Veränderungen werden an vielen Synapsen von einem Subtyp des Glutamatrezeptors ausgelöst (N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor, NMDAR). Dessen Aktivierung erfordert auch das Binden eines NMDAR-Koagonisten (D-Serin oder Glycin). Daher bestimmt deren Verfügbarkeit, in welchem Maße NMDAR-abhängige synaptische Plastizität auftreten kann. Wie NMDAR-Koagonisten extrazellulär räumlich verteilt sind, welche Mechanismen ihre Verfügbarkeit steuern und welche Rollen dabei Neurone und Astroglia spielen, wird derzeit intensiv debattiert.Um NMDAR-Koagonisten direkt zu untersuchen, haben wir in Vorarbeiten neue optische Sensoren für diese entwickelt. Es ist uns gelungen, einen neuen FRET-basierten Glycin-Sensor (GlyFS) und einen Prototyp für D-Serin (DSerFS) zu entwickeln. Mit GlyFS konnten wir kürzlich wichtige Vorhersagen über die Verteilung und Entwicklung der Glycinkonzentrationen im Hippocampus bestätigen und entdeckten, dass plastizitätsinduzierende Aktivität die extrazelluläre Glycinkonzentration steigert. Die genauen Mechanismen und ihre zelluläre Verteilung blieben jedoch unklar. Wir wollen nun die Sensoren GlyFS und DSerFS weiterentwickeln und gleichzeitig die Mechanismen untersuchen, welche die Konzentration von Glycin und D-Serin und deren räumliche Gradienten steuern. So werden wir die aktuelle Generation von GlyFS verbessern, indem wir das derzeit verwendete FRET-Paar durch effizientere ersetzen und die Orientierung, Entfernung und Wechselwirkungen von FRET-Donor und Akzeptor optimieren. Darüber hinaus werden wir den Sensor auch so modifizieren, dass er gezielt auf der Oberfläche bestimmter Zelltypen und deren Subdomänen exprimiert werden kann. Mithilfe des ursprünglichen GlyFS und seiner verbesserten Versionen werden wir feststellen, wie die Frequenz und Stärke der Netzwerkaktivität die extrazelluläre Glycinkonzentration bestimmt, welche Mechanismen dazu beitragen und welche Rolle Neuronen und Astroglia spielen. Mithilfe der optischen Aufzeichnung der synaptischen und extrasynaptischen Glycinkonzentrationen werden wir messen können, wie sich die Glycinkonzentration in der Nähe der relevanten NMDAR-Populationen durch neuronale Aktivität verändert. Parallel dazu werden wir DSerFS testen und erste experimentelle Ergebnisse bezüglich der Signalwege erhalten, welche die extrazelluläre D-Serinkonzentration steuern. Gleichzeitig verbessern wir DSerFS mit den für GlyFS beschriebenen Strategien.Unsere Arbeit wird insgesamt neue und wichtige Erkenntnisse zu den Signalkaskaden liefern, welche die extrazelluläre Konzentration von NMDR-Koagonisten und damit die NMDAR-abhängige synaptische Plastizität im Hippocampus bestimmen. Darüber hinaus werden wir experimentelle Methoden und Werkzeuge liefern, die für die Untersuchung der Gedächtnisbildung und anderer NMDAR-abhängiger Prozesse im Gehirn wichtig sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen