Zellbiologische Studien, bei denen hochauflösende, biologische Bildgebungsverfahren und die Erstellung von Stoffwechselprofilen einzelner Zellen zum Einsatz kommen, bieten tiefe Einblicke in die adaptiven und plastischen Mechanismen von Neuronen zur Erhaltung ihrer Gesundheit oder zur Bewältigung von Krankheitszuständen. Diese Analysen stehen jedoch noch ganz am Anfang, wenn es darum geht, die erstaunliche Komplexität von Neuronen zu erfassen, die aus mehreren Kompartimenten mit sehr unterschiedlichen Funktionen und Stoffwechselbedürfnissen bestehen, nämlich Axone, Somata, Dendriten oder Synapsen. In diesem Projekt wollen wir eine gemeinsame zellbiologische und metabolische Analyse durchführen, die sich mit den kompartimentspezifischen Eigenschaften eines wichtigen homöostatischen Prozesses, der Autophagie, befasst.
Die Autophagie - die Selbstverzehrung - von Zellinhalten dient dazu, beschädigte oder gealterte Makromoleküle wie Proteine oder Lipide und ganze, nicht funktionierende Organellen zu entfernen. Das Material wird lysiert und recycelt, so dass sowohl Energie als auch Bausteine in den zellulären Stoffwechsel zurückgeführt werden. Die zellulären Abfälle werden in doppelwandige Vesikel, so genannte Autophagosomen, verpackt, die in Neuronen mit Hilfe des Aktin-Zytoskeletts an ER-Außenposten in Axonendigungen entstehen. Anschließend verschmelzen die Autophagosomen durch einen umfassend regulierten intrazellulären Transport entlang der Mikrotubuli im Axon mit den Lysosomen in der Nähe des neuronalen Somas und sorgen so für das Recycling oder die Ablagerung ihrer Ladung. Somit stellt die Autophagie einen echten Recycling-Mechanismus dar, der es den Neuronen ermöglicht, ihre Zusammensetzung je nach Bedarf beizubehalten oder anzupassen.
Stellvertretend für Neurodegenerationserkrankung werden die Spinocerebellare Ataxie Typ13 (SCA13) (näher beschrieben in TP6), und das durch das Gen whamm verursachte nephrocerebellare Syndrom untersucht. Nach Expression von Kcnc3-Kanalvarianten oder Mutation des Gens whamm werden subzelluläre Strukturen wie bestimmte Vesikel, die an der Autophagie beteiligt sind, sowie das Mikrotubuli Skelett, welches für den axonalen Transport verantwortlich ist, mit Hilfe floureszierender Markerproteine dargestellt. Die Etablierung einer virusbasierten Methode mit hoher Tranduktionseffizienz in der Mikrofluidikkammer ermöglicht die gleichzeitige Expression von Kcnc3-Kanalvatianten, Whamm-Mutationen und/oder Markern für die Modellierung der Transport- und Abbauprozesse. So können zellbiologische Analysen, wie die Überwachung der Mikrotubuli-Dynamik, im Bezug auf den Transport autophagischer Membranen in neuronalen Kompartimenten durch Zeitraffermikroskopie charaktersiert werden. Durch gezielte Manipulation der verschiedenen zellulären Kompartimente, welche in den mikrofluidischen Kammern einzeln addressierbar sind, wird daraufhin untersucht, ob der autophagische Vesikelumsatz gefördert oder abgeschwächt wird, und ob Zerstörung von Axonen und Dendriten sowie die Neurodegeneration verstärkt oder gelindert wird. Die wichtigsten Ergebnisse werden in vivo mit Hilfe eines etablierten SCA13-Krankheitsmodells in Zebrafischen und eines neuen Modells für das nephrocerebellare Syndrom in der Maus bestätigt.
Kontakt
Prof. Dr. Theresia Stradal
Helmholtz Centre for Infection Research (HZI)
Inhoffenstrasse 7
38124 Braunschweig
Germany
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Email: theresia.stradal@helmholtz-hzi.de
https://www.helmholtz-hzi.de/en/research/research-topics/bacterial-and-viral-pathogens/cell-biology/our-research/
Prof. Dr. Reinhard Köster
TU Braunschweig
Zoological Institute
Zelluläre und Molekulare Neurobiologie
Spielmannstraße 7
38106 Braunschweig
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