Molekulare und zelluläre Mechanismen der Neuralen Superposition in Drosophila

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Robin Hiesinger
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443637483

Die Gehirnverdrahtung ist ein Wachstumsprozess. Musterbildungs-Prozesse, insbesondere die Aubildung von Säulen und Schichten, sind eine grundlegende Basis für funktionelle Konnektivität in allen Gehirnen. Während des Wachstums sind zelluläre Interaktionen in Raum und Zeit spezifisch eingeschränkt. Zelloberflächenmoleküle koennen nur interagieren, wenn sie sich während der Entwicklung in Raum und Zeit begegnen. Viele solche Interaktionen tragen durch Musterbildung zur Gehirnverdrahtung bei, andere bestimmen synaptische Partner durch direktes 'Matchmaking'. Genetische Manipulationen beider Typen von molekularen Funktionen führen zu Defekten in der Gehirnverdrahtung und zu Neuroentwicklungskrankheiten. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist das Verständnis eines lange bekannten Gehirn-Verdrahtungsproblems im visuellen System der Fliege: bei der Neuronalen Superposition stellen ~5000 Axon-Terminalien in einem hochspezifischen Sortierungsmuster funkionelle Konnektivität her.Bei der Neuronalen Superposition, wie auch bei jedem anderen Gehirnverdrahtungsprinzip, ist das Zusammenbringen der prä- und postsynaptischen Partner entscheidend. In vorbereitenden Arbeiten für diesen Forschungsantrag haben wir die überraschende Entdeckung gemacht, dass der gesamte Prozess der Neuronalen Superpositions-Sortierung der ~5000 Axone auch in kompletter Abwesenheit der postsynaptischen Zellen funktioniert. Unsere Beobachtungen deuten auf ausschliesslich afferente Axon-Axon Interaktionen in einem koordinerten Musterbildungsprozess. Wir haben spezielle Multiphoton-Mikroskopie und Datenanalyse-Methoden etabliert um den Prozess im intakten Gehirn quantitativ zu studieren. Dabei hat sich eine Schlüsselrolle der filopodialen Dynamik herausgestellt, die durch Musterbildung dazu führt, dass die prä- und postsynaptischen Partner zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind bevor die Synapsenbildung beginnt.Um das Neuronal Superposition Sortierungs-Problem zu lösen haben wir sowohl neue Methoden als auch mehrere neue transgene Fliegenstämme im Vorfeld dieses Forschungantrags hergestellt und getestet. Dazu gehören knock-ins in Zelladhäsionsmolekülen und genetische Methoden zur Raum- und Zeit-spezifischen, akuten zellbiolgischen und molekularen Manipulation. Im Einzelnen planen wir: (1) die Etablierung eines '4D Mapping' der filopodialen Interkationen während des gesamten Sortierungsprozesses mit und ohne postsynaptsiche Zellen live, im sich entwickelnden Gehirn; (2) die Charakterisierung der Abhängigkeiten von retinalen Zelltypen und die Rolle differentieller Adhäsion sowie der Signaltransduktion während des Musterbildungsprozesses; (3) die Charakterisierung der Rolle der Synapsenbildung in der Stabilisierung des Konnektivitätsmusters. Zusammenfassend ist das Ziel dieser Experimente das Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen eines generellen Prinzips: wie ein Musterbildungsprozess zu präziser und robuster Gehirnverdrahtung führen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen