Zellspezifische Funktionen von cGMP in Striatum und Hippocampus

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Shiqiang Gao, Ph.D.; Dr. Christine Elizabeth Gee, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538090107

Eine gestörte cGMP-Signalübertragung wird oft bei neurologischen Erkrankungen beobachtet, was auf die Bedeutung von cGMP-Signalwegen im Gehirn hinweist. Wir haben festgestellt, dass cGMP und cGMP-regulierende Enzyme, in verschiedenen Gehirnregionen und Zelltypen unterschiedliche Funktionen haben, z.B. bei der Stärke neuronaler Synapsen. Diese Unterschiede und ihre Auswirkungen auf die Funktion des Gehirns, sind bisher nur unzureichend verstanden. Ein Grund dafür war das Fehlen geeigneter Methoden zur Visualisierung und Manipulation von cGMP in ausgewählten Zelltypen. In Zusammenarbeit mit einem Team aus Neurowissenschaftlern und Proteiningenieuren haben wir Licht-aktivierte Guanylylzyklasen entwickelt, die wir zur Manipulation von cGMP in Zellsubtypen im Gehirn und anderswo verwenden. Eine gesunde, fruchtbare konditionale transgene Maus, die eine unserer veröffentlichten Licht-aktivierten Guanylylzyklasen exprimiert, wurde ebenfalls hergestellt, um unsere weiteren Bemühungen zu unterstützen. Das übergeordnete Ziel dieses Vorschlags ist es, die Zelltyp-spezifischen Funktionen von cGMP im Gehirn und ihre Auswirkungen auf das Verhalten und die synaptische Funktion zu verstehen. Wir werden einen dreigleisigen Ansatz verfolgen, um dieses Ziel zu erreichen. Um cGMP-Spiegel in Mäusen zu messen und die Hypothese zu prüfen, dass dynamische Veränderungen des cGMP-Spiegels für das motorische Lernen und andere Verhaltensweisen entscheidend sind, werden wir die Faserphotometrie verwenden. Als Zweites werden wir cGMP-Spiegel in bestimmten Gehirnregionen (Hippocampus, Striatum) und neuronalen Populationen (prä- oder postsynaptisch) manipulieren, um die Verhaltenseffekte in vivo zu bewerten. Außerdem werden wir mithilfe der Slice-Elektrophysiologie die Rolle von cGMP in synaptischer und Schaltkreis-Funktion detailliert untersuchen. Drittens werden wir die Photoregulation von Licht-aktivierten Zyklasen und Phosphodiesterasen studieren und das gewonnene Wissen nutzen, um die Spezifität weiter zu verbessern. Das Ziel ist eine bidirektionale Kontrolle von cGMP in transgenen Zellen. Obwohl Licht-aktivierte Phosphodiesterasen in der Natur vorkommen, sind ihre Eigenschaften, wie Dunkel-Aktivität und Licht-Aktivierung, für den optogenetischen Einsatz nicht ideal. Unser Schwerpunkt liegt darauf, ihre Lichtregulierung zu entschlüsseln und sie gleichzeitig zu effektiven Werkzeugen weiterzuentwickeln. Diese neu entwickelten Proteine sollen feststellen, inwieweit die Zell-spezifische cGMP-Signalgebung zur Funktion der Gehirnschaltkreise und zur Verhaltensleistung beiträgt. Zudem werden wir Werkzeuge mit subzellulärem Targeting entwickeln, um die Heterogenität der cGMP-Signalübertragung innerhalb einzelner Zellen zu erforschen, die als subzelluläre Kompartimentierung oder Mikrodomänen bekannt sind. Zusammengefasst wird unser Projekt optogenetische Werkzeuge entwickeln und nutzen, um die Rolle von cGMP im Verhalten mit einer bisher unerreichten Präzision zu entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen