Visualisierung von mRNAs und deren Topologie an Synapsen

Das Fragile-X Syndrom ist eine der häufigsten Ursachen erblicher kognitiver Behinderung des Menschen. Ursache hierfür ist - wie auch bei der Spinalen Muskulären Atrophie und der Myotonen Dystrophie - jeweils eine genetische Veränderung in einem Gen. Dies führt zu einem Defekt in der Stabilität sowie der anschließenden intrazellulären Lokalisation von RNA Molekülen. Dadurch ist häufig die Translation in Proteine am Zielort gestört. In Nervenzellen, die sehr stark verzweigt sind, trägt die RNA Lokalisierung entscheidend zur Synapsenbildung und zur Speicherung von Information bei. Der Transport bestimmter mRNAs an die Synapsen erfolgt dabei über RNA Partikel, deren molekulare Zusammensetzung weitgehend unbekannt ist. In diesem Forschungsprojekt profitieren wir von einer sehr sensitiven in situ Hybridisierungsmethode gekoppelt mit hoch auflösender Fluoreszenzmikroskopie und quantitativer Auswertung, die von unseren französischen Kollaborationspartnern entwickelt wurden. Dies erlaubt uns einzelne RNA Moleküle an der Synapse zu detektieren, deren Topologie zu ermitteln und diese mit ihrem Translationsstatus zu korrelieren. Wir erhoffen uns davon einen wichtigen Einblick, wann und wo eine mRNA in inaktiver Form vorliegt und wann sie in einer Zelle bzw. in einem Kompartiment wie der Synapse in ein Protein übersetzt wird. Wir versprechen uns aus den vorgeschlagenen Experimenten daher grundlegend neue Erkenntnisse darüber, wie intrazelluläre Sortierung von RNAs funktioniert und welchen Beitrag diese zu Lernen und Gedächtnis liefert.

Neuronale mRNAs werden zu Dendriten transportiert, um dort an der Synapse in Proteine übersetzt zu werden. Die lokale Translation trägt zu synaptischer Plastizität, Lernprozessen und der Bildung von Erinnerungen bei. Der mRNA Transport wird durch RNA-Bindeproteine vermittelt. Diese befördern ihre gebundenen mRNAs als neuronale RNA Granula verpackt zu Dendriten und damit zu den dort befindlichen Synapsen. Wir wissen bisher wenig über die beteiligten Komponenten und ihre Funktion bei diesen Prozessen. Eines der wichtigen RNA-Bindeproteine im Gehirn ist Staufen2. In einem ersten Schritt haben wir die Zusammensetzung solcher Staufen2-enthaltender RNA Granula aufgeklärt. In einem zweiten Schritt haben wir die mRNAs, Rgs4 und Calm3, welche beide von Staufen2 erkannt werden, funktionell in hippocampalen Neuronen untersucht. Der Verlust von Staufen2 führt zu einer signifikanten Verminderung des Vorkommens beider RNAs in Dendriten. Interessanterweise wird dies im Fall der Calm3 RNA durch ein nicht entferntes Intron vermittelt. Zudem führt die Stimulation der Nervenzellen (zunehmende neuronale Aktivität) zu einem deutlichen Anstieg der dendritischen Lokalisation beider mRNAs. In einem zweiten unabhängigen Projekt haben wir den dendritischen Transport der Rgs4 mRNA in lebenden Nervenzellen untersucht. Eine speziell konstruierte Reporter mRNA, die neben der Rgs4 3-UTR mehrfach wiederholte MS2 Bindesequenzen enthält, wird selektiv in die Dendriten lokalisiert wie die endogene Rgs4 mRNA. Sequenzen in der Rgs4 3-UTR vermitteln hier den Transport und sind für Unterschiede in der Transportrichtung der RNA Granula, mit einem Vorzug in Richtung Dendriten (anterograd) zu den Synapsen, verantwortlich. Zusammenführend tragen diese Daten wesentlich zu unserem Verständnis des Stau2-abhängigen Transports einzelner RNA Moleküle wie auch zur Regulation der Expression der daraus resultierenden Proteine an der Synapse bei. Unser zellbiologischer Forschungsansatz mit einem Schwerpunkt auf lebenden Nervenzellen und hochauflösender Videomikroskopie liefert somit wichtige neue mechanistische und funktionelle Einblicke, wie einzelne Synapsen beim Lernen und bei der Bildung von Erinnerungen molekular und funktionell verändert werden.