Forschungsbericht

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PHYSIOLOGIE
Institut für Neurophysiologie
Direktor: Prof. Dr. Christoph Fahlke
Tel.: 0511 / 532-2777 • E-Mail: [email protected] • www.mh-hannover.de/neurophysiologie.html
Forschungsprofil
Unser wissenschaftliches Hauptinteresse gilt der molekularen und zellulären Physiologie erregbarer Zellen. Schwerpunkte
unserer Arbeit sind die Aufgaben, die diese Transportproteine auf der Organebene erfüllen, zelluläre Prozesse, die dem
Einbau dieser Proteine in bestimmten Membranabschnitten zu Grunde liegen und die molekularen Mechanismen, mit
denen sie Ionen durch Membranen transportieren. Wir bearbeiten hierbei nicht nur normale Vorgänge in gesunden
Zellen und Organen, sondern untersuchen auch pathologischen Prozesse in erblichen Formen von Schwerhörigkeit,
Myotonie, Epilepsie oder Nierenfunktionsstörungen sowie in neurodegenerativen Erkrankungen. Weitere Themengebiete
sind die Regulation und Modulation neuronaler Entwicklung und die Kommunikation auf Zell- und Netzwerk-Ebene.
Im Mittelpunkt dieser Arbeiten stehen die räumlich-zeitliche Dynamik intrazellulärer Signalwege und die molekulare
Signalverarbeitung auf Einzelzell- und Netzwerk-Ebene.
Forschungsprojekte
Modulation des neuronalen Wachstums und der synaptischen Plastizität durch serotonerge
Signalwege
Der Neurotransmitter Serotonin (5-HT) spielt bei der Regulation vieler verschiedener Vorgänge im Gehirn eine wichtige
Rolle. Vor kurzem konnten wir zeigen, dass der 5-HT4 Serotoninrezeptor nicht nur an das heterotrimere Gs Protein
gekoppelt ist sondern auch an das G13 Protein. Die Aktivierung dieses Signalwegs resultiert aus einer über RhoA
vermittelten Modulation der Gentranskription und aus einer Reorganisation des Aktinzytoskeletts. Darüber hinaus
konnten wir zeigen, dass der Serotoninrezeptor 5-HT7 das heterotrimere G12 Protein aktivieren kann, was zu einer
selektiven Aktivierung der kleinen GTPase Cdc42 führt. Die Agonist-abhängige Aktivierung des 5-HT7 Rezeptors
induziert über den Cdc42 vermittelten Signalweg eine ausgeprägte Bildung von Filopodien. Aktuell beschäftigen wir
uns mit der Frage, ob diese Serotonin-vermittelten morphologischen Veränderungen eine direkte Auswirkung auf die
Synaptogenese und synaptische Plastizität haben können.
Modulation der neuronalen Morphologie und synaptischen Aktivität durch Aktivierung des 5-HT7/G12
Signalweges
In dieser Studie untersuchten wir den Einfluss des 5-HT7/G12 Signalwegs auf morphologische Veränderungen in hippokampalen Neuronen. Wir verglichen die Anzahl der synaptischen Cluster, die Anzahl der Spines sowie die Anzahl
der dendritischen Filopodien in Neuronen, die mit dem 5-HT7 Agonisten 5-CT behandelt wurden. Als Kontrolle wurden
unbehandelte Neuronen verwendet. Diese Studie zeigt eine signifikante Erhöhung der Dichte der synaptischen Cluster,
der Anzahl der Spines sowie der Anzahl der Filopodien bei Aktivierung des 5-HT7 Rezeptors und liefert so einen Hinweis
darauf, dass der 5-HT7/G12 Signalweg nicht nur das Wachstum der Neuriten unterstützt sondern auch die Synaptogenese. Um die Beteiligung des Galpha12 Proteins im 5-HT7 vermittelten Signalweg zu verifizieren, untersuchten wir die
morphologischen Veränderungen in primären hippokampalen Neuronen aus G12 knock-out Mäusen. Diese Experimente
zeigen im Vergleich zu den Kontrollmäusen, dass für die G12 knock-out Tiere schon unter basalen Bedingungen eine
signifikante Verringerung in der Anzahl der Synapsen, der Spines sowie der Filopodien auftritt. Beachtenswert war
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PHYSIOLOGIE
der Befund, dass bei der Stimulation des 5-HT7 Rezeptors mit spezifischen Agonisten nur die Kontroll-Neurone eine
wesentliche Erhöhung der Zahl der Spines und Synapsen zeigten. Diese Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass dem
G12 Protein bei der Regulation der Morphologie und der Synaptogenese eine wichtige Rolle zukommt.
Abb. 1: Morphologische Analysen hippokampaler Neurone. Aktivierung des 5-HT7 Rezeptors
mit 5-CT führt zu einer signifikanten Erhöhung
der Dichte der synaptischen Cluster und der
Anzahl der Spines. Der 5-HT7 Antagonist
SB269970 blockiert den beobachteten Effekt
komplett und demonstriert damit die spezifische
Rolle des 5-HT7 Rezeptors. Diese Ergebnisse
zeigen, dass der 5-HT7/G12 Signalweg nicht nur
das Wachstum der Neurite unterstützt, sondern
auch die Synaptogenese ansteuert.
Da die Stimulation des 5-HT7/G12 Signalwegs die Synaptogenese verstärkt, wollten wir testen, ob die synaptische
Aktivität dadurch auch beeinflusst wird. Dafür wurde die spontane synaptische Aktivität primärer hippokampaler
Neurone durch die patch-clamp Methode analysiert. Die Resultate zeigen einen signifikanten Anstieg sowohl in der
EPSP- als auch in der Aktionspotential-Frequenz in den mit 5-HT7 Agonisten behandelten Zellen. Der spezifische 5-HT7
Antagonist SB269970 blockierte den beobachteten Effekt komplett und demonstriert damit die spezifische Rolle des
5-HT7 Rezeptors. Diese Ergebnisse liefern einen starken Beleg dafür, dass die Aktivierung des 5-HT7/G12 Signalwegs
zu einer Erhöhung der synaptischen Aktivität führt.
5-HT7/G12 Signalweg und Modulation der synaptischen Plastizität in intakten neuronalen Netzwerken
Nach den Analysen in primären Kulturen wurde untersucht, ob sich diese Ergebnisse auch in in vivo ähnlichen
Bedingungen wiederholen lassen. Dafür etablierten wir organotypische Schnittkulturen aus dem Hippokampus der
juvenilen Maus. Für die morphologische Analyse nutzten wir ein 3D Rekonstruktionsverfahren, das ermöglichte, die
geometrischen Parameter der dendritischen Spines von konfokal aufgenommenen Bildern auszuwerten. Die Ergebnisse
dieser Versuche zeigten auch in organotypischen Kulturen eine signifikante Erhöhung der Dichte dendritischer Spines
nach der Stimulation des 5-HT7 Rezeptors.
Abb. 2: Elektrophysiologische Messungen in hippokampalen Neuronen. Die hippokampalen Neurone wurden mit
dem 5-HT7 Rezeptor Agonist 5-CT für 4 Tage inkubiert.
Danach wurde die spontane synaptische Aktivität durch
die patch-clamp Methode analysiert. Die Untersuchungen in
den mit 5-CT behandelten Zellen zeigten einen signifikanten
Anstieg sowohl in der EPSP- als auch in der Aktionspotential-Frequenz. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die
Aktivierung des 5-HT7/G12 Signalwegs zu einer Erhöhung
der synaptischen Aktivität führt.
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Um die mögliche Modulation der synaptischen Aktivität durch den 5-HT7/G12 Signalweg im Kontext intakter
neuronalen Netzwerken zu untersuchen, nahmen wir die postsynaptischen Ströme aus der CA3 Region des Hippokampus auf. Die Amplitude der mPSCs nach einer chronischen Stimulation des 5-HT7 Rezeptors war deutlich erhöht.
Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass 5-HT7 Rezeptoraktivierung zu erhöhter synaptischer Transmission führt. Als
nächstes haben wir getestet, ob die synaptische Plastizität durch Stimulation des 5-HT7/G12 Signalweges auch berührt
ist. Dafür untersuchten wir die Langzeitpotenzierung (LTP) in organotypischen Kulturen. Bemerkenswert war bei diesen
Messungen der Befund, dass nach der Stimulation des 5-HT7/G12 Signalwegs die Neurone eine signifikant erhöhte
basale Erregbarkeit aufweisen. Untersuchungen der LTP zeigten auch die wesentliche Verringerung des Signals nach
der 5-HT7 Rezeptorstimulation. Eine logische Erklärung für diese Beobachtung ist, dass die durch die Aktivierung des
5-HT7/G12 Signalwegs ausgelöste Erhöhung der basalen Erregbarkeit der Neurone zu einer relativen Verminderung
der maximalen LTP Amplitude führt.
All diese Ergebnisse wurden in Neuronen beobachtet, die aus juvenilen Mäusen (P2 bis P12) isoliert wurden. Zur
unseren Überraschung zeigten die Ergebnisse der elektrophysiologischen Untersuchungen und der Verhaltensexperimente in erwachsenen Tieren, die mit dem 5-HT7 Antagonisten behandelt waren, keine bedeutsamen Unterschiede
gegenüber der Kontrollgruppe. Diese Befunde lassen sich darauf zurückführen, dass die Expression von 5-HT7 und
G12 Proteinen im Hippocampus während der Entwicklung signifikant verringert ist.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Serotonin, zusätzlich zu seiner klassischen Rolle als Neurotransmitter, eine prominente Rolle bei der Regulation der neuronalen Zytoarchitektur und der synaptischen Plastizität spielt. Diese Effekte
sind insbesondere in den juvenilen Tieren ausgeprägt, d.h. zu einem Zeitpunkt, bei dem der funktionelle Einfluss der
synaptischen Reifung besonders stark ist.
Projektleitung: Evgeni Ponimaskin (Prof. Dr.); Kooperationspartner: Prof. Dr.Tatyana Voyno-Yasenetskaya University
of Illinois College of Medicine Department of Pharmacology Prof. Dr. Aline Dumuis CNRS UPR 9023 CCIPE (Centre
CNRS-INSERM de Pharmacologie-Endocrinologie) Montpellier, France Prof. Dr. Melitta Schachner Zentrum für Molekulare Neurobiologie Universität Hamburg; Förderung: DFG
Weitere Forschungsprojekte
Funktion neuronaler Glutamat-Transporter
Projektleitung: Christoph Fahlke (Prof. Dr.); Förderung: DFG
Molekulare Mechanismen von ClC Anionenkanälen und -Transportern
Projektleitung: Christoph Fahlke (Prof. Dr.); Förderung: DFG
Pathophysiologie der Myotonia congenita
Projektleitung: Christoph Fahlke (Prof. Dr.); Förderung: MDA
Funktion eines membranständigen Motorproteins, Prestin
Projektleitung: Christoph Fahlke (Prof. Dr.)
Struktur und Funktion eines prokaryotischen Glutamattransporters
Projektleitung: Christoph Fahlke (Prof. Dr.), Patricia Hidalgo (Dr. Universidad de Chile); Förderung: DFG
Molekulare Mechanismen der Regulation von spannungsabhängigen Kalziumkanälen durch
zytoplasmatische akzessorische Untereinheiten
Projektleitung: Patricia Hidalgo (Dr. Universidad de Chile); Kooperationspartner: CNV Valparaiso; Förderung: DFG
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Regulation serotonerger Signaltransduktion: Molekulare Mechanismen und Bedeutung von posttranslationaler Rezeptormodifikationen.
Projektleitung: Evgeni Ponimaskin (Prof. Dr.); Förderung: DFG
Homo- und Heterooligomerisierung von Serotoninrezeptoren: strukturelle Voraussetzungen und
funktionelle Bedeutung.
Projektleitung: Evgeni Ponimaskin (Prof. Dr.); Förderung: DFG
Computational and experimental analysis of serotonin 5-HT1A and 5-HT7 receptor oligomerization.
Projektleitung: Evgeni Ponimaskin (Prof. Dr.); Förderung: Niedersächsisch-israelische Projektförderung
Quantitative Analyse dynamischer Verteilung intrazellulärer Signalprozessen: Bedeutung für die
Regulation neuronaler Netzwerke.
Projektleitung: Andre Zeug (Dr.), Evgeni Ponimaskin (Prof. Dr.); Förderung: BMBF
Originalpublikationen
Alekov AK, Fahlke C. Channel-like slippage modes in
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PHYSIOLOGIE
Saint-Martin C, Gauvain G, Teodorescu G, Gourfinkel-An I,
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J Biomed Opt 2009;14(1):014022
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same receptor, multiple effectors. Curr Mol Pharmacol
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Abstracts
2009 wurden 11 Abstracts publiziert.
Promotionen
Erick Miranda Laferte: Functions of the Src homology 3 and
guanylate kinase domains of the ß-subunit of voltage-gated
calcium channel
Ivana Shcherbyna: Functional characterization of a glutamate tarnsporter from Escherichia coli
Magister
Sonja Sybille Schäfer (Prof. Dr.): Untersuchungen zum funerären Motivrepertoire zweier Gräber aus der 26. Dynastie
in der Oase Bahria
Weitere Tätigkeiten in der Forschung
Christoph Fahlke (Prof. Dr.): Sprecher der DFG Forschergruppe FOR 45O, Gutachter für DFG und diverse Zeitschriften.
Evgeni Ponimaskin: Gutachter für DFG und diverse Zeitschriften.
Patricia Hidalgo: Gutachter für diverse Zeitschriften.
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