Räumliche Trennung von Membrandomänen, die die Verschmelzung (Exozytose) und Wiedergewinnung (Endozytose) von Membranbläschen, den sogenannten synaptischen Vesikeln, koordinieren und koppeln. Dreidimensionale Zweifarben-STED-nanoskopische Aufnahmen von hippokampalen Nervenzell-Synapsen in Zellkultur zeigen die Clusterung des synaptischen Vesikel-Proteins Synaptotagmin1 nach der Exozytose in einzelnen Membrandomänen (rot) in der endozytotischen Zone, in der Peripherie der exozytotischen oder sogenannten Aktiven Zone (markiert in grün durch die prä- und postsynaptischen Markerproteine RIM1/2 und Homer1). Skalierungsbalken: 1 µm.
© CiM

A.3: Funktionelle Membrandomänen bei neuronaler und nicht-neuronaler Kompartimentierung

Beteiligte: Jürgen Klingauf, Timo Betz, Carsten Fallnich, Milos Galic, Volker Gerke, Andreas Heuer, Stefan LuschnigMarkus Missler, Hans-Christian Pape, Andreas Püschel, Sebastian Rumpf, Ralf Stanewsky, Timo Strünker, Roland Wedlich-Söldner

Eine Fülle an Daten belegt, dass Inhomogenitäten in der Anordnung von Proteinen und Lipiden in biologischen Membranen bestehen. Solche Protein/Lipid-Domänen bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Membran und reichern supramolekulare Komplexe an, um Domänen mit spezifischer Funktion herauszubilden. Diese funktionellen Domänen spielen eine wichtige Rolle bei Prozessen wie Signaltransduktion, Membrantransport und Zellanheftung. Allerdings sind ihre Eigenschaften wie Größe, Häufigkeit, Zusammensetzung und Dynamik nur unzureichend untersucht worden. Daher ist das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens, allgemeine Prinzipien der Organisation spezifischer Membrandomänen zu erhellen und abzuleiten. Dies soll zum einen bei neuronalen Signalprozessen erfolgen, schwerpunktmäßig bei der Membran-Wiedergewinnung an synaptischen Nervenkontakten, der Herausbildung der Nervenzellpolarität als wichtiger Voraussetzung für strukturelle Plastizität, bei der Bildung von die Synapsen durchspannenden, sogenannten transsynaptischen Komplexen, sowie der Gruppierung von bestimmten Ionenkanälen und Rezeptoren in der postsynaptischen Membran. Daraus abgeleitete Grundprinzipien und methodische Ansätze sollen sodann an anderen Zellsystemen und Zell-Zell-Interaktionen erprobt werden, zum Beispiel an solchen zwischen Glia- und Nervenzellen oder zwischen Endothel- und Immunzellen. Hierzu werden wir hochauflösende bildgebende Verfahren wie CARS, stimulierte Emissions-Depletions-Mikroskopie – STED und photoaktivierte Lokalisations-Mikroskopie – PALM anpassen und weiterentwickeln, um die zeitlich-räumliche Dynamik funktioneller Membrandomänen in intakten Nerven- und anderen Zellen sichtbar zu machen. Dieser Ansatz soll methodisch durch zukunftsweisende, sogenannte optogenetische Ansätze komplimentiert werden, die es erlaubten, Interaktionen spezifisch zu untersuchen, indem aktiv „Zellen in Bewegung“ versetzt werden.

Geförderte Projekte

FF-2016-12 – Cyclodextrin based copolymer vesicles for delivery of labeled lipids and other cargo into cells
Projektleitung: Bart Jan Ravoo, Armido Studer, Volker Gerke
Projektlaufzeit: 07/2016 - 06/2017