Rolle von Kalziumkanälen in präsynaptischer Differenzierung

Die motorische Endplatte (engl. neuromuscular junction, NMJ) ist die Synapse zwischen Motoneuronen und Skelettmuskeln und repräsentiert ein führendes Modell zur Erforschung der Synapsenbildung. Die Entwicklung der neuromuskulären Synapse erfordert eine Serie reziproker Interaktionen zwischen dem präsynaptischen Motoneuron und den postsynaptischen Muskelzellen. Unlängst entdeckten wir, dass der Einstrom und die Freisetzung von Kalzium im Muskel die Verteilung der Rezeptoren für den Neurotransmitter Acetylcholin (AChR) während der NMJ Bildung regulieren (Kaplan et al., Cell Reports 23, 3891-3904, 2018). Unerwarteter Weise beobachteten wir auch, dass in Mäusen, denen der Skelettmuskel Kalziumkanal (CaV1.1) fehlt, das Wachstum der Motornerven nicht an den AChR Aggregaten endet, sondern der Nerv weit über sein Ziel hinauswächst und keine Nervenendigungen ausbildet. Dies legt nahe, dass der Kalziumkanal für jene Regulationsmechanismen notwendig ist, welche den Motornerv zum Ort der Synapse leiten und dort die Differenzierung einer funktionellen Nervenendigung bewirken. Daher planen wir im vorliegenden Forschungsprojekt verschiedenegenetisch veränderte Mausmodellemit Mutationenin Kalziumkanälen zu verwenden, sowie Nerv-Muskel Zellkultur-Modelle, um die Bedeutung des postsynaptischen Kaliumkanals für die Differenzierung der präsynaptischen Nervendigung zu untersuchen und die zugrundeliegenden Signalmechanismen zu entschlüsseln. Weiters wollen wir jene molekularen Faktoren eruieren, die für die trans-synaptische Kommunikation verantwortlich sind, und versuchen mit ihrer Hilfe die präsynaptischen Defekte in den Kalziumkanalmutanten zu sanieren. Die erwarteten Ergebnisse sollen einen wichtigen trans-synaptischen Vorgang während der Syanpsenbildung aufdecken, und dabei eine bislang unbekannte Funktion des Kalziumkanals während der Entwicklung der Muskulatur enthüllen. Zudem ist die motorische Endplatte wesentlich für die Pathologie schwerer neurologischer Erkrankungen, wie Lampert Eaton Syndrom, Myasthenia Gravis und ALS, und Faktoren, welche die Differenzierung und Stabilisierung von Synapsen fördern, sind von Bedeutung für die Entwicklung von Therapien. Daher ist die Entschlüsselung jener Faktoren und Signalwege, welche die Bildung der neuromuskulären Synapse regulieren, auch bedeutungsvoll für unser Verständnis der Pathophysiologie dieser Erkrankungen, und kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien beitragen.

DIE ROLLE VON CaV1.1 KALZIUMKANÄLEN IN DER PRÄSYNAPTISCHEN DIFFERENZIERUNG WÄHREND DER ENTWICKLUNG DER NEURO-MUSKULÄREN SYNAPSE. Die motorische Endplatte (engl. neuromuscular junction, NMJ) ist die Synapse zwischen Motoneuronen und Skelettmuskeln und repräsentiert ein führendes Modell zur Erforschung der Synapsenbildung. Die Entwicklung der neuromuskulären Synapse beruht auf einer Serie reziproker Interaktionen zwischen dem präsynaptischen Motoneuron und den postsynaptischen Muskelzellen. Unlängst entdeckten wir, dass der Einstrom und die Freisetzung von Kalzium im Muskel die Verteilung der Rezeptoren für den Neurotransmitter Acetylcholin (AChR) während der NMJ Bildung reguliert (Kaplan et al., Cell Reports 23, 3891-3904, 2018). Unerwarteter Weise beobachteten wir auch, dass in Mäusen, denen der Skelettmuskel Kalziumkanal (CaV1.1) fehlt, das Wachstum der Motornerven nicht an den AChR Aggregaten endet, sondern der Nerv weit über sein Ziel hinauswächst und keine Nervenendigungen ausbildet. Dies legt nahe, dass der Kalziumkanal für jene Regulationsmechanismen notwendig ist, welche den Motornerv zum Ort der Synapse leiten und dort die Differenzierung einer funktionellen Nervenendigung bewirken. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts charakterisierten wir zunächst die mannigfaltigen Effekte auf das Nervenwachstum und die Differenzierung von Nervendigungen in CaV1.1-null Mäusen (Kaplan und Flucher, Scientific Reports 9:18450, 2019). Da diese erstaunlich ähnlich waren, wie die Defekte in Mausmodellen des Signaltransduktions-Proteins -Catenin, untersuchten wir das Zusammenspiel beider Signalwege bei der Entwicklung der Neuromuskulären Synapse in Maus Doppelmutanten (Kaplan und Flucher, iScience 25:104025, 2022). Schließlich führten wir die erste räumliche Expressionsstudie (engl. spatial transcriptomics) am Zwerchfell embryonaler Mäuse durch, um Gene zu identifizieren, welche die unterschiedlichen Aspekte der präsynaptischen Differenzierung in Abhängigkeit von postsynaptischen Kalziumsignalen regulieren (Publikation in Arbeit). Die Ergebnisse aus diesem Forschungsprojekt entschlüsselten einen wichtigen trans-synaptischen Mechanismus der Synapsenbildung und zeigen dabei eine bislang unbekannte Funktion des Kalziumkanals während der Muskelentwicklung auf. Die motorische Endplatte ist wesentlich für die Pathologie schwerer neurologischer Erkrankungen, wie Lampert Eaton Syndrom, Myasthenia Gravis und ALS. Daher ist die Entschlüsselung jener Faktoren und Signalwege, welche die Bildung der neuromuskulären Synapse regulieren, auch bedeutungsvoll für unser Verständnis der Pathophysiologie dieser Erkrankungen, und kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Strategien führen.