Regulierung der Synapsenbildung und -eliminierung durch APP-Fragmente

Projektdetails:

Thematik: Grundlagenforschung
Förderstatus: abgeschlossen
Art der Förderung: Pilot Projekt
Institution: Universität Tübingen, Hertie-Institut für klinische Hirnforschung, Drosophila-Labor
Projektleiter: Dr. Tobias Manuel Rasse
Laufzeit: 01. November 2007 - 31. Oktober 2009
Fördersumme: 40.000,00 Euro
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Projektbeschreibung

Die koordinierte Bildung und Eliminierung von Nervenzellkontakten (Synapsen) stellt die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis dar. Gleichzeitig ist der Verlust synaptischer Verbindungen ein frühes Symptom vieler neurodegenerativer Erkrankungen, wie z. B. der Alzheimer-Demenz (AD). Lange vor der klinischen Manifestation des Gedächtnis­verlustes bei Alzheimer-Patienten ist bereits ein umfangreicher Synapsenverlust aufgetreten. Nach der Arbeitshypothese von Dr. Tobias Rasse vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung an der Universität Tübingen und seinen Kollegen ist die Neurodegeneration möglicherweise auf eine Fehlregulierung von Signalkaskaden zurückzuführen, die normalerweise an der Restrukturierung synaptischer Netzwerke beteiligt sind.

Die Beschäftigung mit Veränderungen in der dynamischen Reorganisation einzelner Synapsen ist somit der Schlüssel zum Ver­ständnis des Fortschreitens der AD. Die derzeitige Forschung beschränkt sich meist auf die Erforschung molekular-pathologischer Ereignisse oder aber deren Auswirkungen auf das klinische Erscheinungsbild und das Verhalten. Die Tübinger Forschungsgruppe jedoch setzt die Fruchtfliege bereits erfolgreich zur Untersuchung der molekularen Ursache fehler­hafter synaptischer Organisation ein. Hierbei wird der zeitliche Verlauf der Entstehung synaptischer Defekte in vivo verfolgt und gleichzeitig die daraus resultierenden Verhaltensdefizite anhand verschie­dener Tests quantifiziert.

Langfristig soll dieser Forschungsansatz dazu beitragen, eines Tages gezielt die pathologische Eliminierung von Synapsen aufhalten zu können, ohne die natürlich auftretende Eliminierung von Synapsen im Kontext von Lernen und Gedächtnis zu beeinträchtigen. Gelänge es einzugreifen bevor die Veränderungen im Denken und Fühlen auftreten, die es den Patienten so schwer machen, den Alltag zu meistern, würde dies die Lebensqualität der Betroffenen als auch deren Betreuern bedeutend verbessern. 

Zwischenbericht

Die charakteristischen pathologischen Merkmale der Alzheimer-Demenz sind das Auftreten von neurofibrillären Bündeln und die massive Bildung von Eiweißablagerungen, den sogenannten Amyloid-Plaques. In unserer Forschung beschäftigen wir uns mit dem Amyloid-Vorläufer-Protein (APP), aus welchem das Amyloid β-Peptid (Aβ) gebildet werden kann, welches den Hauptbestandteil der Amyloid-Ablagerungen ausmacht.

Wir untersuchen die Prozessierung (Spaltung) des APP an neuromuskulären Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen Muskel und Nervenzelle, in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Ziel unserer Forschung ist es, die Rolle von APP für das Wachstum und die Regulation von Synapsen zu verstehen und möglicherweise herauszufinden, welche Veränderungen an der Synapse zu einer verstärkten Bildung des toxischen Aβ führen können.

Dafür haben wir ein chimäres APP-Protein konstruiert, welches an seinen Enden unterschiedlich fluoreszierende Proteine trägt. An einem Ende trägt es ein grün fluoreszierendes Protein (GFP), welches aus Quallen isoliert wurde, an dem anderen Ende ein rot fluoreszierndes Protein (RFP).

Diese fluoreszierenden Proteine ermöglichen es uns, mit neuen Mikroskopie-Methoden die Spaltung von APP im lebenden Organismus zu untersuchen. Mit Hilfe der zweifachen Markierung lässt sich zwischen dem ungeschnitten Protein oder einzelnen Spaltstücken unterscheiden. Bis jetzt haben wir herausgefunden, dass das APP an den neuromuskulären Verbindungen zu einem Großteil bereits geschnitten vorliegt.

Abschlussbericht

Während die massive Bildung von Eiweißablagerungen -sogenannten Amyloid-Plaques- für die
Alzheimer-Demenz charkteristisch ist, ist immer noch nicht klar, welche Rolle diese Plaques in der Entstehung der Erkrankung spielen. Gleichzeitig ist lange bekannt, dass jede Nervenzelle im Gehirn im Durchschnitt mit tausenden von anderen Nervenzellen verbunden ist.

Die Verbindung wird hierbei über meist sehr lange, dünne Ausläufer hergestellt. Hierbei werden die eigentlichen Verbindungen durch sogenannte synaptische Endungen (kurz Synapsen) hergestellt. Die Aufrechterhaltung dieser komplexen und zugleich sehr dynamischen Verschaltungen setzt voraus, dass die Synapsen fortwährend mit neuen Proteinen und anderen Substanzen versorgt werden.

Eines dieser Proteine ist der vordere Teil des Amyloid Vorläufer Protein (sAPP), welchem, im
Gegensatz zu dem toxischen zweiten Fragment, dem Amyloid β-Peptid (Aβ), eine schützende, erhaltende Rolle zugeschrieben wird. In der zweiten Forschungsperiode haben wir zunächst eine neuartige Mikroskopie-Technik weiter optimiert.

Nun sind wir in der Lage, den axonalen Transport dieses protektiven Fragmentes (sAPP) und dessen dynamisches Verhalten an synaptischen Verbindungen mit sehr hoher zeitlicher Auslösung zu untersuchen. Mit derselben Methode war es uns ferner möglich, den genauen Ort der Spaltung des Amyloid-Vorläufer Proteins zu untersuchen.

Wissenschaftliche Publikationen auf Basis des geförderten Projekts

Zhang, Y., Füger, P., Hannan, S.B., Kern, J.V., Lasky, B., Rasse, T.M. (2010). In vivo imaging of intact Drosophila larvae at sub-cellular resolution. Journal of Visualized Experiments, 43.

Videobetrag auf der Webseite des Journal of Visualized Experiments


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