Die Rolle von Kalziumkanälen in der Entwicklung der neuromuskulären Synapse

Die Rolle von Kalziumkanälen in der Entwicklung der Neuromuskulären Synapse Die neuromuskuläre Synapse (NMJ) ist die Schnittstelle zwischen dem Motoneuron und Muskelfasern. In den Neurowissenschaften dient die NMJ als eines der wichtigsten Modelle für die Erforschung der Synapsenbildung und insbesondere für Untersuchung jener Mechanismen, welche die Aggregation von Acetylcholinrezeptoren (AChR) in der postsynaptischen Membran steuern. Heute ist allgemein anerkannt, dass sowohl intrinsische Mechanismen des Muskels als auch neuronale Faktoren zur Aggregation der AChR während der Entwicklung der NMJ führen. Dennochist unsere Kenntnis der zugrundeliegenden Signaltransduktions-Mechanismen nach wie vor lückenhaft. AChR Pre- Patterning ist der initiale Schritt in der NMJ Bildung, bei dem Muskel-autonome Mechanismen zur Aggregation von AChR in der Mitte der Muskelfasern führen und damit das Territorium für die darauffolgende Innervierung durch Motoneurone definieren. Jüngst wurde eine wichtige Rolle von L-Typ Kalziumströmen (LTCC) in diesem Vorgang beschrieben. Zudem sind LTCC auch an der Stabilisierung synaptischer AChR und an der Destabilisierung extrasynaptischer AChR beteiligt. Unsere Arbeitsgruppe hat unlängst eine neue, stark leitende Kalziumkanal-Variante (CaV1.1e) entdeckt, welche vermutlich jene LTCC erzeugt, die an der Bildung der NMJ beteiligt sind. Im vorliegenden Projekt nützen wir etablierte, sowie neue genetische Mausmodelle für Kalziumkanäle, um deren Bedeutung in der Bildung der NMJ zu entschlüsseln und um aufzuklären, in welcher Weise Kalziumsignale zur Aggregation und Stabilisierung von synaptischen AChR beitragen. Unsere zentrale Hypothese besagt, dass wenn LTCC essentiell für das AChR Pre-Patterning oder für andere Kalzium-regulierte Schritte in der Synapsenbildung sind diese Vorgänge in jenen Mausmodellen versagen, denen entweder der CaV1.1 Kanal fehlt oder deren CaV1.1 keinen LTCC leitet. Weiters ermöglicht die Analyse von Ryanodinrezeptor Knockout Mäusen oder von Doppel-Mutanten die relative Bedeutung von Kalzium-Einstrom oder Freisetzung festzustellen. Hybride aus Kalziumkanal-Mutanten und Mäusen denen Motoneurone, oder der neuronale AChR-aggregierende Faktor Agrin fehlen, ermöglichen den Beitrag von Nerven und Muskeln an der molekularen Organisation von AChR in der postsynaptischen Membran der NMJ zu entschlüsseln. In Summe sollen die geplanten Analysen der AChR Aggregation in unseren Kalziumkanal Mausmutanten, die Bedeutung von Kalziumsignalen in der NMJ Bildung aufklären, die zugrundeliegende Kalziumquelle ermitteln, und der neu endeckten CaV1.1e Kanalvariante eine mögliche Funktion in der Synapsenbildung zuzuordnen.

Die Rolle von Kalziumkanälen in der Anordnung von Acetyocholin Rezeptoren während der Entwicklung der Neuromuskulären Synapse Synapsen sind molekular höchst spezialisierte Verbindungen zur Kommunikation zwischen Nerven und ihren Zielzellen. Ihre Bildung während der frühen Entwicklung erfordert wechselseitige Interaktionen zwischen präsynaptischen Nervenendigungen und der postsynaptischen Zelle, um spezifische Kontakte herzustellen und schließlich eine funktionelle Synapse zu differenzieren. Die neuromuskuläre Synapse (auf Englisch Neuromuscular Junction, NMJ) ist die Synapse zwischen dem Motoneuron und einer Muskelfaser, über welche das Nervensystem die kontraktile Aktivität des Muskels steuert. Beim Erwachsenen erhält jede Muskelfaser Input von einem Motoneuron über eine einzige NMJ in der Mitte des Muskels. Erstaunlicher Weise diktiert dabei der Muskel wo die Synapse gebildet wird, indem er die Rezeptoren für den Neurotransmitter Acetylcholin (AChR) in einem schmalen Band in der Mitte des Muskels anordnet, noch bevor der Nerv dort ankommt. In diesem Projekt untersuchten wir die zugrundeliegenden Mechanismen; insbesondere die Rolle von Aktivitäts-abhängigen Kalziumsignalen in der Anordnung der AChR in der Mitte des Muskels (genannt AChR Patterning). Unter Verwendung einer Reihe von Mausmodellen mit genetischen veränderten Kalziumkanälen entdeckten wir, dass Aktivitäts-gesteuerte Kalziumsignale der Schlüssel für das korrekte AChR Patterning sind. Bei Fehlen dieser Kalziumsignale versagt die Anordnung der AChR Cluster in der Mitte der Muskelfasern und die heranwachsenden Nervenfasern zeigen unkontrolliertes Wachstum und Verzweigungen. Interessant ist, dass sowohl Kalziumeinstrom über Spannungs-aktivierte Kanäle in der Plasmamembran, als auch die Depolarisations-induzierte Kalziumfreisetzung aus dem Sarcoplasmatischen Reticulum genügen um die korrekte Anordnung der AChR Cluster und deren Innervation zu induzieren. Unsere Ergebnisse demonstrieren eine feine Abhängigkeit dieses wichtigen Vorgangs in der Entwicklung der neuromuskulären Synapse von der Größe des Kalziumsignals. Überraschender Weise, zeigten unsere Ergebnisse überdies, dass das Wachstumsmuster des Motornervs, die Zielerkennung der Nervenfortsätze und die Differenzierung der synaptischen Nervenendigungen in gleicher Weise von Muskel Kalziumsignalen abhängig sind. In Summe, zeigen diese Ergebnisse, dass jener Mechanismus der in reifen Muskelzellen die Kontraktion steuert, während der frühen Entwicklung die korrekte Anordnung und Bildung der neuro-muskulären Synapse reguliert, und dass Spannungs-aktivierte Kalziumkanäle bei diesem wichtigen Entwicklungsschritt von zentraler Bedeutung sind.