Neuronen kommunizieren untereinander über Verbindungsstellen, sogenannte Synapsen. Wenn Kalziumionen in „aktive Zonen“ gelangen, die mit Vesikeln mit chemischen Botschaften bevölkert sind, beginnen sie zu „kommunizieren“. Vesikel „verschmelzen“ aufgrund des elektrisch geladenen Kalziums mit den Außenmembranen der präsynaptischen Neuronen und geben ihre chemische Kommunikationsfracht an die postsynaptische Zelle ab.
Eine neue Studie des Picower Institute for Learning and Memory at MIT zeigt, wie Neuronen diese lebenswichtige Infrastruktur aufbauen und aufrechterhalten.
Kalziumkanäle sind ein entscheidender Teil des Motors auf der präsynaptischen Seite, der elektrische Signale in chemische synaptische Übertragung umwandelt, da sie die primäre Determinante des Kalziumeinstroms sind, der dann die Vesikelfusion verursacht. Allerdings war unklar, wie sie sich in aktiven Zonen ansammeln.
Diese neue Studie liefert Hinweise darauf, wie aktive Zonen die Häufigkeit von Kalziumkanälen ansammeln und regulieren.
Troy Littleton, ein leitender Autor der neuen Studie und Menicon-Professor für Neurowissenschaften in den MIT-Abteilungen für Biologie und Gehirn- und Kognitionswissenschaften, sagte: „Es ist bekannt, dass die Modulation der Funktion präsynaptischer Kalziumkanäle erhebliche klinische Auswirkungen hat. Es ist wichtig, die Grundlagen der Regulierung dieser Kanäle zu verstehen.“
Sind Kalziumkanäle für die Entwicklung aktiver Zonen unerlässlich?
Die Antwort auf diese Frage wollten Wissenschaftler an Larven herausfinden. Es sollte beachtet werden, dass das Kalziumkanal-Gen der Fliege (genannt „Kakophonie“ oder Cac) so wichtig ist, dass sie ohne es nicht leben können.
Anstatt Cac in der gesamten Fliege auszuschalten, verwendeten Wissenschaftler eine Technik, um Cac in nur einer Population zu eliminieren Neuronen. Sie zeigten, dass sich auf diese Weise auch ohne Cac regelmäßig aktive Zonen entwickeln.
Sie nutzten auch eine andere Technik, die das Larvenstadium der Fliege künstlich verlängert. Sie fanden heraus, dass die aktive Zone nach längerer Zeit ihre Struktur mit einem Protein namens BRP weiter aufbaut, die Cac-Akkumulation jedoch nach den normalen sechs Tagen aufhört.
Es wurde auch festgestellt, dass moderate Erhöhungen oder Verminderungen des Angebots an verfügbarem Cac im Neuron keinen Einfluss darauf hatten, wie viel Cac in jeder aktiven Zone landete. Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass die Anzahl der Cac zwar mit der Größe jeder aktiven Zone skalierte, sich jedoch kaum änderte, wenn sie den BRP in der aktiven Zone deutlich reduzierten. Tatsächlich schien das Neuron eine konstante Obergrenze für die Menge an Cac festzulegen, die für jede aktive Zone vorhanden ist.
MIT-Postdoktorandin Karen Cunningham sagte: „Es war aufschlussreich, dass das Neuron ganz andere Regeln für die Strukturproteine in der aktiven Zone wie BRP hatte, die sich im Laufe der Zeit weiter ansammelten, als für den Kalziumkanal, der streng reguliert war und dessen Häufigkeit begrenzt war.“
Neben der Cac-Versorgung oder Änderungen des BRP müssen auch andere Faktoren den Cac-Spiegel so stark regulieren. Sie wandten sich an alpha2delta.
Durch genetische Manipulation des Ausdrucks seiner Menge fanden Wissenschaftler heraus, dass der Alpha2delta-Spiegel direkt bestimmt, wie viel Cac sich in aktiven Zonen ansammelt. Weitere Experimente ergaben auch, dass die gesamte Cac-Versorgung des Neurons die Fähigkeit von alpha2delta überwacht, den Cac-Spiegel aufrechtzuerhalten.
Dies deutet darauf hin, dass alpha2delta während des Cac-Transports wahrscheinlich stromaufwärts fungierte, um die Cac-Menge in aktiven Zonen durch Stabilisierung zu kontrollieren, um die Cac-Menge in aktiven Zonen zu versorgen und erneut zu versorgen.
Mit zwei verschiedenen Techniken beobachteten sie diesen Nachschub. Sie erstellten auch Messungen davon und seines Timings.
Cunningham wählte einen Moment nach ein paar Tagen der Entwicklung, um aktive Zonen abzubilden und die Cac-Häufigkeit zu messen, um die Landschaft zu bestimmen. Dann hat sie die Cac-Fluoreszenz ausgebleicht, um sie zu löschen. Nach 24 Stunden visualisierte sie die Cac-Fluoreszenz erneut, um nur das neue Cac hervorzuheben, das in diesen 24 Stunden an die aktiven Zonen abgegeben wurde.
Sie beobachtete, dass an diesem Tag in fast allen aktiven Zonen Cac verabreicht wurde. Dennoch war die Arbeit dieses einen Tages im Vergleich zu den Anhäufungen früherer Tage tatsächlich unbedeutend. Sie sah auch, dass sich in größeren aktiven Zonen mehr Cac ansammelte als in kleineren. Darüber hinaus gab es bei den veränderten alpha2delta-Fliegenmodellen kaum neue Cac-Lieferungen.
Die nächste Aufgabe bestand darin, zu bestimmen, mit welcher Geschwindigkeit Cac-Kanäle aus aktiven Zonen entfernt werden. Zu diesem Zweck verwendeten die Wissenschaftler eine Färbetechnik mit einem photokonvertierbaren Protein namens Maple, das an das Cac-Protein gebunden war. Dies ermöglichte es ihnen, die Farbe mit einem Lichtblitz zu ihrem gewählten Zeitpunkt zu ändern.
Dadurch wird angezeigt, wie viel Cac sich zu einem bestimmten Zeitpunkt angesammelt hat (grün dargestellt), und dann blinkt das Licht, um den Cac rot zu färben. Nach fünf Tagen waren fast 30 Prozent des roten Cac durch neues grünes Cac ersetzt. Dieser Cac-Umsatz wurde gestoppt, als die Cac-Abgabemengen durch Mutation von Alpha2-Delta oder eine Reduzierung der Cac-Biosynthese reduziert wurden.
Cunningham sagte: „Das bedeutet, dass jeden Tag eine erhebliche Menge an CAC in aktiven Zonen umgeschlagen wird und dass der Umsatz durch die Lieferung neuer CAC ausgelöst wird.“
Littleton sagte, „Da nun die Regeln für die Häufigkeit und Wiederauffüllung von Kalziumkanälen klar sind, möchte ich wissen, wie sie sich unterscheiden, wenn Neuronen einer Plastizität unterliegen – zum Beispiel, wenn neue eingehende Informationen erfordern, dass Neuronen ihre Kommunikation anpassen, um die synaptische Kommunikation zu vergrößern oder zu verkleinern.“
„Ich bin auch daran interessiert, einzelne Kalziumkanäle zu verfolgen, während sie im Zellkörper gebildet werden und sich dann entlang des Nervenaxons zu den aktiven Zonen bewegen, und er möchte herausfinden, welche anderen Gene die Cac-Häufigkeit beeinflussen könnten.“
Journal Referenz:
- Karen L. Cunningham, Chad W. Sauvola, Sara Tavana, J. Troy Littleton. Regulierung der Häufigkeit präsynaptischer Ca2+-Kanäle in aktiven Zonen durch ein Gleichgewicht zwischen Lieferung und Umsatz. Neuroscience. DOI: 10.7554 / eLife.78648
