AG Rosenmund

Molekulare Mechanismen der synaptischen Übertragung

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Wissenschaftlicher Fokus

Die Übertragung von Informationen zwischen zwei Nervenzellen findet über spezialisierte Verbindungen, die Synapsen, statt. Wenn ein Aktionspotential die Präsynapse erreicht, erfolgt die Fusion von transmittergefüllten Vesikeln mit der präsynaptischen Membran. Daraufhin werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt abgegeben und diffundieren zur postsynaptischen Membran. Hier werden die postsynaptischen Rezeptoren aktiviert und dadurch das Membranpotential geändert. Dieser hochkomplexe Prozess erfolgt einerseits in beeindruckender Geschwindigkeit und andererseits in unglaublicher Präzision: jede Sekunde finden diese Ereignisse millionenfach in unserem Gehirn statt. Die funktionellen Eigenschaften von Synapsen im Gehirn können dramatisch variieren. Zudem können sie schnellen und langanhaltenden Änderungen unterliegen. Dies hat wiederum einen Effekt auf die Informationsverarbeitung im Gehirn: Wie wir lernen und vergessen, wie wir denken und fühlen, wie wir unsere Umwelt wahrnehmen und handeln.
In unserem Labor untersuchen wir die Grundlagen der synaptischen Übertragung und fokussieren uns dabei auf die Ausschüttung von Neurotransmittern. Hierbei interessieren wir uns insbesondere für die molekularen Mechanismen, welche diesem Prozess in zentralen Synapsen zu Grunde liegen. Im präsynaptischen Terminal ist die Ausschüttung von mit Neurotransmitter-gefüllten Vesikeln auf die aktiven Zonen beschränkt. Hier binden die Vesikel in einer sehr präzisen, fein koordinierten und regulierten Reihenfolge an spezifische Freisetzungsstellen und erreichen die Fusionskompetenz. Die Fusion mit der Plasmamembran erfolgt schließlich durch ein Calcium-getriggertes Signal, daraufhin werden die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt entlassen. Dieses chemische Signal wird schließlich an der postsynaptischen Seite erkannt und durch die Aktivierung spezifischer Rezeptoren in ein elektrisches Signal umgewandelt.  
Die Aufklärung der Mechanismen der synaptischen Übertragung und deren Regulation ist elementar, um einerseits die Funktion als auch Fehlfunktion des Gehirns verstehen zu können. Unser Ziel ist es, die einzelnen Schritte und Bewegungsabläufe eines Vesikelzyklus zu entschlüsseln und zu quantifizieren. Wir wollen verstehen, welche präsynaptischen Proteine, Proteindomänen und einzelne Residuen diese Schritte steuern. Darüber hinaus möchten wir diejenigen Moleküle und Mechanismen identifizieren, welche zur Heterogenität synaptischer Funktion beitragen. Schließlich wollen wir herausfinden, inwieweit Veränderungen der synaptischen Funktion wie z.B. Freisetzungswahrscheinlichkeit oder Kurzzeitplastizität das Verhalten von Nervenzellen in definierten neuronalen Netzwerken beeinflussen.

Methoden

Um die Komplexität der synaptischen Übertragung und Freisetzung von Neurotransmittern zu verstehen verfolgen wir einen integrativen Ansatz, welcher Biochemie, Genetik, sowie strukturelle und funktionelle Analyse umfasst. Wir charakterisieren die synaptischen Eigenschaften genetisch modifizierter Mäuse. Diesen fehlen präsynaptische Proteine oder tragen spezifische Mutationen. Folgende Methoden wenden wir an, um Nervenzellen und Hirnschnitte in Kultur zu untersuchen: Um die Funktion und Plastizität von Synapsen zu analysieren bedienen wir uns elektrophysiologischer und optischer Aufnahmetechniken, wie z.B. Patch-Clamp und Kalzium-Imaging. Licht-und Elektronenmikroskopie hilft uns, die synaptische Struktur aufzuklären, sowie welchen Änderungen diese Struktur durch Plastizität oder pathophysiologischen Bedingungen unterliegt.
Diese Methoden sind ebenfalls hilfreich, um die zu Grunde liegenden Mechanismen einiger Krankheiten zu untersuchen, wie z.B. Epilepsie, Autismus, Schizophrenie und weitere neurologische Erkrankungen. Bedeutende Fortschritte im Bereich der humanen und molekularen Genetik haben gezeigt, dass diese Krankheiten zum Teil synaptopathisch sind, da diese häufig mit einer Mutation in synaptischen Proteinen assoziiert sind.

Stiftungen und Preise

2014 – 2020    Thomas Südhof – Einstein BIH Visiting Fellowship grant
2014 – 2015    Lillie Award, Erik M. Jorgensen and Christian Rosenmund
2010 – 2015    European Research Council Advanced Grant

Kontakt zur Gruppenleitung

Dipl.-Ing. Heidi Pretorius

Admin. Assistentin
Organisation Neuroscience Colloquium`