Functional Genetics of the Synapse

Auswirkungen gestörter Calciumgleichgewichte auf Struktur und Funktion glutamaterger Synapsen

Dieses Projekt verfolgen wir derzeit in enger Kooperation mit Oliver Kobler (LIN, Speziallabor ELMI) sowie mit den Arbeitsgruppen von Stephan Sigrist (FU Berlin), Jimena Sierralta (Universidad de Chile, Santiago) und Carsten Duch (Uni Mainz).

Nahezu alle zellulären Vorgänge sind durch Signale in Form kurzzeitig erhöhter cytosolischer Calciumkonzentration reguliert. Dies gilt in besonderem Maße für die synaptische Kommunikation im Nervensystem, speziell für die präsynaptische Freisetzung von Neurotransmitter und deren postsynaptische Prozessierung. Molekulare Vorgänge, die den Influx von Calcium durch synaptische Ionenkanäle kontrollieren und in synaptische Transmission umsetzen sind daher Gegenstand intensiver Forschung (z.B. Schneider et  al., 2015). Weniger gut untersucht ist dagegen der Beitrag, den die verschiedenen Mechanismen zur Justage bzw. Wiederherstellung des basalen Calciumlevels leisten. Tatsächlich wird jedoch vermutet, dass es gerade auf dieser Ebene zu alters- oder krankheitsrelevanten Störungen neuronaler Funktionen kommen kann.

An der als Modellsystem gut etablierten larvalen neuromuskulären Verbindung (NMJ) von Drosophila (z.B. Thomas and Sigrist, 2012) untersuchen wir die Auswirkungen langfristig verstellter Calciumlevel auf die Struktur und Funktion glutamaterger Synapsen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Plasmamembran-ständige Calcium Pumpe PMCA und ihre Interaktionspartner Dlg und Basigin/Neuroplastin gerichtet. Dabei verwenden wir genetische Verfahren, um prä- und postsynaptische Verteilungen und Funktionen dieser Proteine differentiell zu addressieren und analysieren u.a. die Neurotransmitterfreisetzung an individuellen synaptischen Kontakten an Lebendpräparaten als "Read-Out". Neben den Abhängigkeitsverhältnissen der genannten Proteine interessiert uns das Beziehungsgeflecht mit anderen Komponenten aus dem "Toolkit" für die Regulation von synaptischen Calciumsignalen. Wiederum basierend auf genetischen Ansätzen kommen hierbei verschiedene Analyseverfahren zur Anwendung. Insbesondere wird STED-Mikroskopie hierbei angewandt, um die subzelluläre Kompartmentalisierung beteiligter Proteine und Organellen mit besonderer Genauigkeit zu erfassen.

Molekulare Charakterisierung der Interaktion zwischen Neuroplastin und PMCA-Calciumpumpen

Dieses Vorhaben verfolgen wir in enger Kooperation mit Karl-Heinz Smalla (LIN, Speziallabor Molekularbiologische Techniken), Thilo Kähne (OvGU Magdeburg) und Rodrigo Herrera-Molina (LIN, AG Synaptische Signalübertragung).

Neuroplastin wurde kürzlich von uns und anderen Kollegen als essentielle Untereinheit der PMCA identifiziert (z.B. Korthals et al., 2017). Dieses Projekt zielt darauf ab, die Interaktion zwischen beiden Proteinen sowie die kompensatorische Kapazität des Neuroplastin-verwandten Proteins Basigin bei Verlust von Neuroplastin näher zu charakterisieren. Neben stöchiometrischen Analysen führen wir hierzu Struktur-Funktionsanalysen sowohl in Zellinien, neuronalen Primärkulturen und im Drosophila Modell durch. In letzterem verfolgen wir zudem die Frage nach Art und Notwendigkeit von molekularen und zellulären Mechanismen, die der Stabilisierung von PMCA durch Neuroplastin/Basigin zugrunde liegen.

Die Rolle von Neuroplastin im Immunsystem

Dieses Projekt verfolgen wir in enger Kooperation u.a. mit den Arbeitsgruppen von Klaus-Dieter Fischer, Ildiko Dunay und Monika Bunner-Weinzierl an der OvGU Magdeburg.

Die Aktivierung von Immunzellen, insbesondere auch T-Zellen, ist in hohem Maße durch den Einstrom von Calcium kontrolliert. Mit der Identifizierung von Neuroplastin als Untereinheit aller PMCA Isoformen in Säugern lassen sich anhand der von Dirk Montag (LIN, Servicelabor Neurogenetik) generierten Mausmutanten für Neuroplastin die Auswirkungen gestörter Calciumhomöostase im Immunsystem analysieren. Nach Darstellung der Expression und prinzipiellen Bedeutung von Neuroplastin für die Calcium-abhängige Aktivierung von T-Zellen  (Korthals et al., 2017) fokussieren wir derzeit auf die Folgen, die ein Ausfall von Neuroplastin und damit verbundene Reduktion von PMCAs auf die Immunantworten in Infektions- und Tumormodellen hat. Dabei wird die Reaktivität verschiedener Zelltypen analysiert und insbesondere wird die Möglichkeit der Erschöpfung von T-Zellen evaluiert. 

Bachmann, A., Kobler, O., Kittel, R., Wichmann, C., Sierralta, J., Sigrist, S.J., Gundelfinger, E.D., Knust, E., and Thomas, U. (2010). A perisynaptic ménage à trois between Dlg, DLin-7 and Metro controls proper organization of Drosophila synaptic junctions. J. Neurosci. 30: 5811- 5824. Available from: 10.1523/JNEUROSCI.0778-10.2010

Erdmann I, Marter K, Kobler O, Niehues S, Abele J, Müller A, Bussmann J, Storkebaum E, Ziv T, Thomas U*, Dieterich DC* (2015) Cell-selective labelling of proteomes in Drosophila melanogaster. Nat Commun. 6:7521. doi: 10.1038/ncomms8521. (*corresponding authors) Available from: 10.1038/ncomms8521

Korthals M, Langnaese K, Smalla KH, Kähne T, Herrera-Molina R, Handschuh J, Lehmann AC, Mamula D, Naumann M, Seidenbecher C, Zuschratter W, Tedford K, Gundelfinger ED, Montag D, Fischer KD*, Thomas U* (2017) A complex of Neuroplastin and Plasma Membrane Ca2+ ATPase controls T cell activation. Sci Rep. 7(1):8358. doi: 10.1038/s41598-017-08519-4. (*: corresponding authors) Available from: 10.1038/s41598-017-08519-4

Schneider R, Hosy E, Kohl J, Klueva J, Choquet D, Thomas U, Voigt A, Heine M. (2015) Mobility of calcium channels in the presynaptic membrane. Neuron 86: 672-9. Available from: 10.1016/j.neuron.2015.03.050

We are involved in the education of students in the master's program "Integrative Neuroscience" .

In the course "Molecular Neurobiology" we introduce basic molecular genetic and biochemical methods and in the practical course "Genetic Models" we provide insights into the use of Drosophila in cellular neurobiology. We regularly supervise students in rotational internships. We also supervise one to two master's and/or bachelor's theses per year.

If you are interested, please contact the head of this group.