AG Synapsengenetik

Calcium (Ca2+) spielt als sekundärer Botenstoff eine universelle Rolle. Tatsächlich korrelieren zahlreiche Fehlfunktionen und degenerative Erscheinungen des Nervensystems und anderer Organe mit Verstellungen der intrazellulären Ca2+-Homöostase, wobei die kausalen Zusammenhänge weithin ungeklärt sind. Am Beispiel larvaler neuromuskulärer Verbindungen der Taufliege Drosophila untersuchen wir Auswirkungen chronischer Veränderungen des zytosolischen Ca2+-Spiegels auf Struktur und Funktion glutamaterger Synapsen. Hierzu verfolgen wir genetische, molekulare und biochemische Ansätze, die wir in enger Zusammenarbeit mit dem ELMI-Speziallabor mit hochauflösender und Super-Resolution Mikroskopie sowie mit mikroskopischen Lebendbeobachtungen kombinieren. Ein besonderes Augenmerk ist dabei auf die Rolle von Calciumpumpen (PMCAs) und ihre molekularen Interaktionen gerichtet.  Diese Proteine bilden auch das konzeptionelle Bindeglied zu einem Projekt, das wir gemeinsam mit Kollegen an der OvGU Magdeburg verfolgen. Hierbei wird die funktionelle Bedeutung von Neuroplastin, einem essentiellen Bindungspartner von PMCAs, für Zellen des Immunsystems von Säugern analysiert.  

  • Leiter

    Leiter

    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.

  • Mitglieder

    Mitglieder

    Leiter  
    Dr. Ulrich Thomas+49-391-6263-93231ulrich.thomas@lin-magdeburg.de
    Doktoranden  
    Xiao Lin+49-176-58754669xiao.lin@lin-magdeburg.de
    Nikhil Tiwari+49-391-6263-93351nikhil.tiwari@lin-magdeburg.de
    Technische Mitarbeiterin  
    Kathrin Gruß+49-391-6263-93211kathrin.gruss@lin-magdeburg.de
    Gast  
    Francisca Bertin   

     

  • Projekte

    Projekte

    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. 

  • Ausgewählte Publikationen

    Ausgewählte Publikationen

    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

  • Drittmittel

    Drittmittel

    2010-2021
    SFB 854 "Molekulare Organisation der zellulären Kommunikation im Immunsystem" 
    Teilprojekt B08: "Rolle des synaptischen Zelladhäsionsmoleküls Neuroplastin im Immunsystem"
    http://www.sfb854.de/Projekte/B+08.html

  • Lehre

    Lehre

    Wir sind aktiv in die Ausbildung der Studierenden im Masterstudiengang "Integrative Neuroscience" eingebunden.

    Im Kurs "Molecular Neurobiology" führen wir StudentInnen an grundlegende molekulargenetische und biochemische Verfahren heran und im Praktikum "Genetic Models" werden Einblicke in die Verwendung von Drosophila in der zellulären Neurobiologie vermittelt. Regelmäßig betreuen wir Studenten in Rotationspraktika. Zudem betreuen wir jährlich ein bis zwei Master- und/oder Bachelorarbeiten.

    Wenn Sie Interesse haben, wenden Sie sich bitte an den AG-Leiter.

  • Aus dem Gruppenleben

    Aus dem Gruppenleben

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