AG Synapsengenetik

Uli Thomas leitet die AG "Synapsengenetik", deren aktueller Forschungsgegenstand molekulare und zelluläre Grundlagen normaler und gestörter Calicum Homöostase im Nervensystem von Drosophila und in Zellen des Immunsystems von Säugern sind.

Seine wissenschaftliche Laufbahn begann am Institut für Entwicklungsbiologie der Uni Köln als Diplomand und Doktorand von Elisabeth Knust. Dabei widmete er sich der Klonierung und Analyse des Drosophila Gens Serrate, dessen Genprodukt als Ligand im Notch-Signalweg eine essentielle Rolle spielt. Danach wechselte er in die Abteilung von Eckart Gundelfinger am Institut für Neurobiologie in Magdeburg, um Drosophila Homologe von seinerzeit neu entdeckten synaptischen Proteinen zu untersuchen. In enger Zusammenarbeit mit den Labors von Vivian Budnik (Massachusetts, USA) und Jimena Sierralta (Santiago, Chile), einen Forschungsaufenthalt im Budnik-Lab inbegriffen, charakterisierte er die Rolle des Gerüstproteins Dlg an glutamatergen Synapsen. Die aktuelle Schwerpunktsetzung geht u.a. auf diese Arbeiten zurück.

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.