Fliegen Mutanten als Schlüssel zur Nervenzellkommunikation

Tierisches Verhalten, vom komplexen Insektenflug bis hin zum menschlichen Gedanken, basiert auf der Verschaltung von Nervenzellen (Neuronen) und deren einzigartiger Fähigkeit Signale zu empfangen und weiterzuleiten. Der Signaltransfer, bei dem eine Nervenzelle einen chemischen Signalstoff (Neurotransmitter) freisetzt, findet an spezialisierten Kontakten (Synapsen) statt. Dafür werden Neurotransmitter wie Acetylcholin oder Histamin im ersten präsynaptischen Neuron in mikroskopisch kleinen Vesikeln gespeichert. Diese chemischen Signalstoffe werden freigesetzt, binden an Rezeptorproteine in der Membran des zweiten postsynaptischen Neurons und lösen dort eine elektrische Antwort aus. Dieser grundlegende Prozess findet in allen Nervenzellen statt. Um zu verstehen, wie neuronal Netzwerke komplexes Verhalten steuern, ist ein detailliertes Verständnis des synaptischen Signaltransfers entscheidend. Was reguliert den synaptischen Transfer zwischen Neuronen? Für die Beantwortung dieser physiologischen Frage ist es notwendig zu bestimmen wie synaptische Proteine miteinander interagieren. Im präsynaptische Neuron lösen elektrische Signale einen Strom von Kalziumionen in die Zelle aus, welcher für das Anheften der synaptischen Vesikel an die Zellmembran verantwortlich ist. Die Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran und setzen die chemischen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt zwischen den beiden Neuronen frei. Dieser Prozess wird von einer Vielzahl von Proteinen gesteuert, welche wiederum von spezifischen Genen kodiert werden. Das Verständnis der genetischen Regulation von synaptischem Transfer setzt folglich detaillierte Kenntnisse dieser Proteinkomplexe voraus. Die derzeit erfolgreichste Vorgangsweise zur Erforschung von genetischen Steuerungen ist die Untersuchung von Veränderungen in einem gezielt mutierten System. Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist dafür der ideale Kandidat, da ihr gesamtes Erbgut (Genom) bekannt ist und bereits eine grosse Anzahl von Mutanten existiert. Überdies ist der überwiegende Teil (~70%) des Fruchtfliegen-Genoms identisch mit dem menschlichen Erbgut. Erkenntnisse über die genetische Regulation von Signalübertragung in Drosophila stehen daher in direktem Zusammenhang mit unserem Wissen über die Nervenzellkommunikation in Wirbeltieren. Genetische Forschung am visuellen System der Fruchtfliege ist einer der Hauptschwerpunkte im Meinertzhagen Labor (Dalhousie University, Halifax, Kanada), der vorgeschlagenen Forschungsstätte für dieses Erwin- Schrödinger-Auslandsstipendium. Das visuelle System eignet sich besonders für diese Fragestellung, da Mutationen der Photorezeptorzellen die Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit von Drosophila nicht beeinträchtigen. Überdies ist das Labor mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen (EM) ausgestattet, welche eine extrem hohe Auflösung und dreidimensionale Rekonstruktion von einzelnen Proteinkomplexen erlauben. Mittels der Kombination von gezielten genetischen Mutationen und hochentwickelter EM-Tomografie plane ich, die Synapsen von normalen und mutierten Photorezeptorzellen zu untersuchen. Dieser direkte Vergleich ermöglicht einzigartige funktionelle Rückschlüsse von Proteinen auf die jeweiligen Gene und präsentiert damit eine wichtige Schlüsselstelle in der Erforschung von synaptischer Signalübertragung. Jede Art von Gehirnfunktion basiert auf Nervenzellkommunikation, und die potentiellen Resultate dieses innovativen Projektes stellen einen entscheidenden Schritt im Verständnis der genetischen Regulation von Informationstransfer in Drosophila sowie im Menschen dar.