Universiẗat, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Würzburg, Univ., Diss., 2008

In nervous systems, synapses precisely orchestrate information transfer and memory formation. Active zones (AZ) are specialized subcellular compartments at the presynaptic mesoscale which process synaptic transmission on an ultrastructural level. The AZ cytomatrix including the essential scaffold protein Rab3 interacting molecule (RIM) enables exocytosis of synaptic vesicles. A deficiency of the locally most abundant protein isoform RIM1α diminishes long-term potentiation in a complex central mammalian synapse – the connection of hippocampal mossy fiber boutons (MFB) to cornu ammonis (CA)3 pyramidal neurons. Behaviourally, these mice present with learning impairment. The present MD thesis addresses the so far unknown three-dimensional (3D) AZ ultrastructure of MFBs in acute hippocampal slices of wild-type and RIM1α-/- mice. In a first set of experiments, a standardized protocol for near-to-native synaptic tissue preparation at MFBs using high-pressure freezing and freeze substitution and 3D modelling using electron tomography was developed and established. Based on the excellent preservation of synaptic tissue using this protocol, the AZ ultrastructure in both genotypes was quantified in detail up to an individual docked synaptic vesicle using custom-written programming scripts. The experiments demonstrate that deficiency of RIM1α leads to multidimensional alter-ation of AZ 3D ultrastructure and synaptic vesicle pools in MFBs. (Tightly) docked synaptic vesicles – ultrastructural correlates of the readily releasable pool – are reduced, decentralized, and structurally modified, whereas the more distant vesicle pool clusters more densely above larger and more heterogenous AZ surfaces with higher synaptic clefts. The present thesis contributes to a more comprehensive understanding regarding the role of RIM1α for (tight) vesicle docking and organization at MFBs. Furthermore, the precise 3D ultrastructural analysis of MFB AZs in this thesis provides the necessary mor-phological basis for further studies to correlate synaptic ultrastructure with presynaptic plasticity and memory dysfunction in RIM1α-/- mice using advanced electrophysiological and behavioral techniques. / In Nervensystemen bedürfen Informationsweitergabe und Gedächtnisformation eines präzisen Zusammenspiels von Synapsen in Zeit und Raum. Synaptische Transmission basiert strukturell auf mesoskopischen cytosolischen Kompartimenten an der präsynaptischen Membran, sogenannten Aktiven Zonen (AZ). Ihre Cytomatrix, bestehend aus zentralen Gerüstproteinen wie Rab3 interacting molecule (RIM), ermöglicht eine schnelle Freisetzung synaptischer Vesikel. Die Defizienz der lokal häufigsten Isoform RIM1α resultiert an einer komplexen zentralen Säugersynapse, die des hippocampalen Moosfaserboutons (MFB) zu im Cornu ammonis (CA)3 befindlichen Pyramidalzellen, in einer dezimierten Langzeitplastizität. Auf Verhaltensebene zeigen diese Mäuse eine reduzierte Lernfähigkeit. Die vorliegende Dissertation widmet sich grundlegend der bisher unbekannten dreidimensionalen (3D) AZ-Ultrastruktur des MFB in akuten Hippocampusschnitten der adulten Wildtyp- und RIM1α-Knock-Out-Maus (RIM1α\(^{-/-}\)). In einer methodischen Entwicklungsphase wurde ein neuartiges, anspruchsvolles Protokoll der nahezu artefaktfreien (near to native) Synapsenpräparation am MFB mittels Hochdruckgefrierung und Gefriersubstitution sowie der 3D-Modellierung mittels Elektronentomographie etabliert. In einer zweiten Experimentier- und Analysephase ermöglichte die hochwertige synaptische Gewebeerhaltung in beiden Genotypen eine standardisierte, auf Programmierskripten basierte Quantifizierung der AZ-Ultrastruktur bis auf die Ebene eines individuell gedockten synaptischen Vesikels. Dieser Dissertation gelingt der Nachweis, dass eine Defizienz von RIM1α zu einer multidimensionalen ultrastrukturellen Veränderung der AZ und ihres Vesikelpools am MFB führt. Neben einer Reduktion, Dezentralisierung und strukturellen Veränderung (eng) gedockter Vesikel – der ultrastrukturellen Messgrößen von unmittelbar freisetzungsfähigen Vesikeln – verdichtet sich der distaler lokalisierte Vesikelpool auf zugleich größeren, heterogenen AZ-Flächen mit erweitertem synaptischem Spalt. Vorliegende Untersuchungen tragen zum Verständnisgewinn über eine zentrale Rolle von RIM1α für das Docking und die Organisation von Vesikeln der AZ im MFB bei. Darüber hinaus stellen die präzisen ultrastrukturellen Analysen eine morphologische Grundlage für weiterführende Studien mit Hilfe modernster Techniken dar, beispielsweise über die Auswirkungen der geänderten RIM1α\(^{-/-}\) AZ-Ultrastruktur auf die präsynaptische Plastizität sowie in Korrelation zum Gedächtnis und Lernen der Tiere.

Mainz, Univ., Diss., 2001.

Universiẗat, Diss., 2003--Münster (Westfalen).

Structural and functional modifications of synaptic connections (“synaptic plasticity”) are believed to mediate learning and memory processes. Thus, molecular mechanisms of how synapses assemble in both structural and functional terms are relevant for our understanding of neuronal development as well as the processes of learning and memory. Synapses form by an asymmetric association of highly specialized membrane domains: at the presynaptic active zone transmitter filled vesicles fuse, while transmitter receptors at the opposite postsynaptic density sense this signal. By genetic analysis, matrix proteins of active zones from various families have been shown to be important for fast vesicle fusion, and were suggested to contribute to synapse stability and assembly. The Sigrist lab in collaboration with the Buchner lab previously had shown that the large scaffold protein Bruchpilot (Brp) is essential for both the structural and functional integrity of active zones and for synaptic plasticity in Drosophila melanogaster. The work described in this thesis investigated several candidate proteins which appear to be involved in preand postsynaptic function, as summarized in the following: (1) DREP-2 (DEF45 related protein-2) had been found by co-immunoprecipitations with anti-Brp antibodies by Dr. Manuela Schmidt (unpublished data). Mutants and antibodies for the further study of DREP- 2 were generated in this thesis. Yeast two hybrid results suggest that DREP-2 might interact with dynein light chain 2, while in vivo imaging indicates that DREP-2 might be involved in bidirectional axonal transport. (2) Coimmunoprecipitation and pull down experiments suggested that the ARFGAP [ADP-ribosylation factor (ARF)-directed GTPase activating protein (GAP)] protein GIT (G-protein coupled receptor kinase interacting protein) could interact with the endocytosis associated molecule Stoned B (StnB). Mutants in the dgit gene showed an accumulation of large size vesicles, membrane intermediates and decreased vesicle density at the 3rd instar larval neuromuscular junction (NMJ) by electron microscopy (EM). The phenotypes accumulation of large size vesicles and membrane intermediates could be rescued partially by expression of Drosophila GIT (DGIT) or human GIT in dgit mutant background. Furthermore, by immunofluorescence the dgit mutant shows specifically decreased levels of StnB, which could be restored partially by the expression of DGIT. These results strongly support the suggestion that DGIT interacts with StnB, which is involved in the regulation of vesicle size, endocytosis or recycling of synaptic vesicles (SVs). Furthermore, the dgit mutants also showed signs of a mislocalization of the presynaptic protein Brp relative to the postsynaptic protein GluRIID, which could be rescued by expression of DGIT or human GIT in the dgit mutant background, but not by StnB. These results suggest that GIT on one hand executes roles in the regulation of synaptic vesicle endocytosis, but potentially also has structural roles for synapse assembly (3) Djm-1 is a candidate locus to mediate mental retardation in human patients when it is mutated. As a first step towards an understanding of the mechanistic role of DJM-1, Drosophila genetics were used to address DJM-1 function. So far, however, the djm-1 mutant generated in this thesis did not show a nervous system phenotype. / Es wird angenommen, dass strukturelle und funktionale Änderungen an synaptischen Verbindungen („synaptische Plastizität”) die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse darstellen. Daher sind die molekularen Mechanismen des strukturellen und funktionalen Aufbaus von Synapsen wichtig für das Verständnis von neuronaler Entwicklung sowie von Lernund Gedächtnisprozessen. Synapsen werden durch eine asymmetrische Verbindung von zwei hochspezialisierten Membranen gebildet: An der präsynaptischen aktiven Zone fusionieren mit Transmittern gefüllte Vesikel, während Transmitterrezeptoren in der gegenüberliegenden postsynaptischen Dichte dieses Signal wahrnehmen. Durch genetische Analysen wurde gezeigt, dass Matrixproteine der aktiven Zone verschiedener Familien wichtig für die schnelle Vesikelfusion sind. Es wird angenommen, dass diese Proteine zu synaptischer Stabilität und dem Aufbau von Synapsen beitragen. Das Labor von Stephan Sigrist hat in einer Kollaboration mit dem Labor von Erich Buchner in der Vergangenheit gezeigt, dass das große Gerüstprotein Bruchpilot (Brp) essentiell für sowohl die strukturelle und funktionale Intaktheit von aktiven Zonen als auch für synaptische Plastizität in Drosophila melanogaster ist. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden mehrere Kandidatenproteine untersucht, die vermutlich eine Rolle in prä- und postsynaptischer Funktionen spielen, was folgendermaßen zusammengefasst werden kann: 1. DREP-2 (DFF45 related protein 2) wurde von Dr. Manuela Schmidt durch Koimmunpräzipitationen mit Anti-Brp Antikörpern gefunden (unveröffentlichte Daten). Mutanten und Antikörper für die weitere Untersuchung von DREP-2 wurden im Zuge dieser Doktorarbeit erzeugt. Die Ergebnisse aus Hefe-Zwei-Hybrid Versuchen legen nahe, dass DREP- 2 mit Dynein light chain 2 interagieren könnte, während in vivo Bildgebung darauf hindeutet, dass DREP-2 in bidirektionalen axonalen Transport involviert sein könnte. 2. Koimmunpräzipitations- und Pulldown-Experimente ließen den Schluss zu, dass das ARFGAP-Protein (ADP-ribosylation factor (ARF)-directed GTPase activating proteins (GAPs)) GIT (G-protein coupled receptor kinase interacting protein) mit dem mit Endozytose assoziierten Protein Stoned B (StnB) interagieren könnte. Elektronenmikroskopie der neuromuskulären Synapse von Larven im dritten Larvalstadium, die mutant für das dgit-Gen sind, zeigte eine Akkumulation von großen Vesikeln und Membran-Zwischenprodukten sowie eine verringerte Vesikeldichte. Zwei der Phänotypen, die Akkumulation großer Vesikel und der Membran-Zwischenprodukte, konnten durch die Expression von Drosophila GIT (DGIT) oder menschlichem GIT im dgit-mutanten Hintergrund teilweise ausgeglichen werden. Darüberhinaus wurde über Immunofluoreszenz deutlich, dass die dgit-Mutante eine spezifisch reduzierte Menge an StnB enthält, was durch die Expression von DGIT teilweise ausgeglichen werden konnte. Diese Ergebnisse unterstützen die Vorstellung sehr, dass DGIT mit StnB interagiert.. StnB spielt eine Rolle bei der Regulierung von Vesikelgrößen, Endozytose und der Wiederverwertung von synaptischen Vesikeln. Darüberhinaus zeigen dgit Mutanten Hinweise auf eine fehlerhafte Lokalisierung des präsynaptischen Proteins Brp relativ zu dem postsynaptischen Protein GluRIID, was furch die Expression von DGIT oder menschlichem GIT im dgit-mutanten Hintergrund ausgeglichen werden konnte, nicht jedoch durch StnB. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass GIT einerseits eine Rolle bei der Regulierung der Endozytose synaptischer Vesikel spielt aber möglicherweise auch eine strukturelle Funktion beim Aufbau von Synapsen hat. 3. Djm-1 ist ein genetischer Lokus, der geistige Behinderung bei menschlichen Patienten hervorruft, wenn er mutiert vorliegt. Als ersten Schritt in Richtung eines Verständnisses der mechanistischen Rolle von DJM-1, wurde Genetik in Drosophila durchgeführt, um die Funktion von DJM-1 zu untersuchen. Die in dieser Doktorarbeit erzeugte djm-1 Mutante zeigte jedoch bisher keinen anomalen Phänotyp im Nervensystem.

University, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

Zugl.: Basel, Univ., Habil.-Schr., 2009

Thesis (doctoral)--Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2005.

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002.