Molekulare und zelluläre Grundlagen der Regulation von Ca2+-abhängiger Sekretion an Synapsen

Es ist eine noch ungeklärte Frage, wie die grossen morphologisch-anatomischen und physiologischen Unterschiede in den Eigenschaften synaptischer Kontakte zu erklären sind. Da z.B. die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Transmittern sogar zwischen synaptischen Terminalen desselben Neurons in Abhängigkeit vom postsynaptischen Partner erheblich variieren kann, möchten wir herausfinden, wie die Funktion (Exozytose von Botenstoffen) und (Ultra)Struktur (Lokalisation & Morphologie) von Synapsen aufeinander abgestimmt werden und welche Moleküle dafür verantwortlich sind.

Strategisch gehen wir generell so vor, dass wir Kandidaten für diese “Vermittlerrolle” mit biochemischen und molekularbiologischen Methoden identifizieren, ihre (sub)zelluläre Lokalisation und Expression mit morphologischen Techniken (Licht- und Elektronenmikroskopie einschließlich ihrer Immunmarkierungen, in-situ Hybridisierungen) untersuchen und schließlich ihre Funktion durch Anwendung molekulargenetischer Verfahren (Generieren von mutanten Mäusen: klassich transgene, knockout, knock-in, und konditionelle Mutanten) charakterisieren. In der Analyse entsprechender Phänotypen kommt wiederum das o.g. Methodenspektrum zum Einsatz, ergänzt durch (elektro)physiologische Techniken. Inhaltlich haben wir uns in den letzten Jahren mit präsynaptischen Transmembranproteinen (α- und β-Neurexine) und ihren wichtigsten extrazellulären Liganden (Neuroligine & Neurexophiline) beschäftigt.

Da diese zur Gruppe der Zelladhäsionsmoleküle gezählt werden (Neurexine und Neuroligine) bzw. Komponenten der extrazellulären Matrix repräsentieren (Neurexophiline), wurde ursprünglich erwartet, dass sie eine dominierende Rolle bei der Bildung oder Stabilisierung von Synapsen spielen. Tatsächlich scheinen sie aber nach unseren Analysen in Mausmutanten essentiell für die effektive Ca2+-abhängige Sekretion zu sein, was unsere Hypothese stützt, dass sie als Rezeptormoleküle die Erkennung von Partnerzellen bzw. spezieller extrazellulärer Signale in die Modulation der Exozytose “übersetzen”. Da diese Moleküle durch mehrere Gene und erheblichen alternativen Splicings in einer grossen Variantenzahl auftreten, wären sie im Sinne eines transsynaptischen Codes hervorragend geeignet, die Freisetzung von Botenstoffen in zell- oder gar synapsenspezifischer Weise zu regulieren.

Kürzlich haben unsere Arbeiten dann Hinweise auf den beteiligten Mechanismus erbracht, da spannungsabhängige Kalziumkanäle (v.a. vom N- und P/Q-Subtyp) offenbar in diesen Prozesses involviert sind. Deren Beteiligung ist plausibel, da die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Vesikeln stark vom Ca2+ Einstrom abhängt und kleine Veränderungen zu großen Effekten auf die synaptische Transmission führen. Zukünftig möchten wir daher versuchen, den genauen Mechanismus aufzuklären wie Neurexine die präsynaptischen Kalziumkanäle beeinflussen können und wollen dazu u.a. das subzelluläre Targeting beider Moleküle zur Synapse und dessen Dynamik intensiv untersuchen.