Die Bildung von Gedächtnisspuren über Exzitations-Transkriptionskopplung

A02

Die Bildung eines Engramms innerhalb eines Verbundes von Nervenzellen erfordert Aktivitäts-abhängige Genexpression. Eine hervorgehobene Rolle spielt hierbei der Transkriptionsfaktor cAMP-responsive element binding protein (CREB). Seine transkriptionelle Aktivität beeinflußt die Funktion von Synapsen und die Netzwerkaktivität maßgeblich. In unserem Projekt verfolgen wir die Idee, dass die Stabilisierung von CREB Transkriptionskomplexen beim Transport von Synapsen zum Zellkern an der Entstehung und Konsolidierung lerninduzierter Gedächtnisspuren beteiligt ist. Wir untersuchen, wie das Prinzip der Signalvermittlung zwischen Synapse und Kern durch das messenger Protein Jacob dazu dienen könnte, die Bildung neuronaler Engramme, insbesondere mit Blick auf ein gesünderes Altern, zu optimieren.

Gruppenleitung

Dr. Anna Karpova

Dr. Michael R. Kreutz

Dr. Anna Karpova

Anna Karpova ist wissenschaftliche Führungskraft (PI) in der Forschungsgruppe „Neuroplasticity“ und leitet das Projekt zusammen mit Michael Kreutz am Leibniz Institut für Neurobiolgie. Sie ist ferner PI im Magdeburger Center for Behavorial Brain Sciences (CBBS) und Koordinatorin der Sektion Molekular & Zellbiologie am LIN. Ihre Expertise in molekularer und zellulärer Neurobiologie nutzt sie zur Charakterisierung der strukturellen und funktionellen Organisation chemischer, plastischer Synapsen. Sie untersucht den intrazellulären Protein- und Membrantransport über längere Distanzen und dessen Rolle für neuronale Funktionen. Dafür nutzt sie u.a mikroskopische Time-lapse und Super-Resolution Verfahren.

Institut:Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) Magdeburg

Project Title:A02 Die Bildung von Gedächtnisspuren über Exzitations-Transkriptionskopplung

Dr. Michael R. Kreutz

Michael R. Kreutz leitet die Forschungsgruppe „Neuroplasticity“ am Leibniz Institut für Neurobiologie sowie die Leibniz Gruppe „Dendritic Organelles and Synaptic Function“ am Zentrum für Molekulare Zellbiologie in Hamburg (ZMNH). Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Biologie der Synapse, inbsesondere befasst er sich mit grundlegenden Fragen zur Kommunikation zwischen Synapse und Zellkern. Dies schließt die Frage nach Rückkopplung zwischen Aktivitäts-abhängiger Genexpression und synaptischer Funktion sowie deren Auswirkung auf die Bildung zellulärer Engramme ein. Nicht zuletzt untersucht er, wie die Nano-Organisation von Synapsen deren funktionelle Eigenschaften im Kontext von Lernen und Gedächtnis bestimmt. 

Institut:Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) Magdeburg

Project Title:A02 Die Bildung von Gedächtnisspuren über Exzitations-Transkriptionskopplung

:A04 Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit durch das Anti-Aging Hormon Klotho – Von molekularen Mechanismen zu Interventionen

Project Title:Z01 Funktionelle Analyse neuronaler Netzwerke und Kleintierbildgebung in vivo

Gruppenmitglieder

Maximilian Borgmeyer

Dr. Guilherme Gomes

SFB 1436 Mitglied Kartazyna Grochowska

Dr. Katarzyna Grochowska

Dr. Anja Oelschlegel

Sebastian Samer

Dr. Pingan Yuanxiang

Fabian Zmiskol

Maximilian Borgmeyer

Max kommt aus Hamburg, Deutschland. Er studierte Biowissenschaften an der Universität Rostock und erwarb seinen M.Sc. in Biologie mit Spezialisierung auf Molekularbiologie und Biotechnologie an der Universität Hamburg in 2016. Von 2017 bis 2022 promovierte er in der NPlast-Gruppe, wo er jetzt als Postdoc arbeitet. Max erforscht derzeit Golgi-Satelliten in neuronalen Dendriten

Dr. Guilherme Gomes

Ich bin ein brasilianischer Neurowissenschaftler und Mitglied der Forschungsgruppe Neuroplastizität (LIN). Ich interessiere mich für die molekularen Akteure, die komplexe Verhaltensweisen hervorbringen, und habe mich in den letzten zehn Jahren darauf konzentriert, wie die NMDAR-Signalübertragung die Expression von Genen steuert, die mit der Plastizität zusammenhängen. Als Mitglied des SFBs 1436 bin ich Teil der Projekte A02, A04 und Z01, und mein Ziel ist es, der SFB-Gemeinschaft modernste Methoden zur Erkennung und Manipulation von Engrammen zur Verfügung zu stellen.

Dr. Katarzyna Grochowska

Katarzyna M. Grochowska erwarb ihren M.Sc. in Biotechnologie an der Warschauer Universität für Biowissenschaften, Warschau, Polen. Anschließend promovierte sie am Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) im Rahmen eines Marie Sklodowska-Curie ITN-Programms unter der Leitung von Dr. Michael Kreutz. Während ihrer Doktorarbeit beschäftigte sie sich mit den molekularen Mechanismen neurodegenerativer Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Krankheit. Derzeit untersucht sie die Mechanismen der Neurodegeneration, insbesondere im Zusammenhang mit der Kopplung von Erregung und Transkription, dem endolysosomalen Abbauweg und der neuroinflammatorischen Signalübertragung.

Dr. Anja Oelschlegel

coming soon

Sebastian Samer

coming soon

Dr. Pingan Yuanxiang

Mein Name ist PingAn YuanXiang und ich habe meinen Abschluss in Shanghai, China, gemacht. Im Hauptfach habe ich Neurobiologie an der Fudan-Universität in Shanghai studiert und 2012 meine Doktorarbeit abgeschlossen.

Seit 2013 arbeite ich als wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Nplast am LIN. Mein Fachgebiet ist die Elektrophysiologie, einschließlich Feldaufnahmen und Einzelzell-Patch-Clamp-Techniken, die ich auch mit zellbiologischen Techniken kombiniere. Mein Hauptinteresse gilt den molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität sowie den Alterungsregulatoren der Gehirnfunktionen.

Fabian Zmiskol

coming soon


Was sind synapto-nukleäre Proteinbotenstoffe?


Neurone exprimieren mehr Gene als andere Zelltypen und es erscheint unwahrscheinlich, dass allein eine Signalübertragung durch Ca2+ genügt, um die zahlreichen extrazellulären Stimuli in kontrollierte genomische Antworten zu übersetzen. Mögliche weitere Kandidaten für die Ver- und Entschlüsselung von Signalen an deren Entstehungsorten bzw. im Zellkern als ihrem Zielort sind synapto-nukleäre Proteinbotenstoffe. Diese translozieren nach entsprechendem Stimulus von Synapsen zum Zellkern, wo sie über die Interaktion mit anderen Molekülen sehr gezielt Aspekte der Genexpression regulieren können.

Warum ist die Kopplung von Erregung und Transkription wichtig für die Bildung von Engrammen und die Gedächtniskonsolidierung?

In einem neuronalen Netzwerk variiert die Aktivität exzitatorischer Synapsen zwischen den beteiligten Neuronen. Die intrinsische Erregbarkeit eines Neurons bezeichnet seine Neigung, Aktionspotentiale auf einen definierten Stimulus hin auszulösen. Die de novo Transkription von Genen ist grundlegend für die Bildung von Langzeitgedächtnis, wobei sie an der  Gedächtniskonsolidierung beteiligt ist. Die biologischen Mechanismen dieser Konsolidierung beinhalten initial eine schnelle Phase der Genexpression, bekannt als molekulare Konsolidierung. Während dieses Konzept allgemein anerkannt ist, sind die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanism noch unklar. Ein paradigmatischer Transkriptionsfaktor, dessen Aktivierung mit der Bildung von Langzeitgedächtnis verknüpt ist, ist CREB. Mehrere Studien haben CREB als Konvergenzpunkt für Signalwege und Mechanismen sowohl während der Stärkung von Synapsen als auch der Gedächtnisbildung identifizert.

Die Ziele unseres Projekts

Im Rahmen dieses SFBs ist es bedeutsam, dass die Regulierung neuronaler Erregbarkeit einen potenziellen molekularen Mechanismus darstellt, welcher der CREB-abhängigen neuronalen Selektion zugrunde liegt. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Neurone mit erhöhtem CREB bevorzugt in Gedächtnisspuren rekrutiert werden. CREB-vermittelte Änderungen in der neuronalen Erregbarkeit gewährleisten eine effektive Verknüpfung zeitnaher Ereignisse und unterstützen die funktionelle Einrichtuung von Zellverbänden während der Gedächtnis Konsolidierungsphase. Gedächtnisbildung hängt dabei sowohl von Eingangs-spezifischen Modifikationen synaptischer Stärke als auch von zell-spezifisch gesteigerter Erregbarkeit ab.  Letztere wie auch die Zunahme an plastischen Synapsen durch CREB könnten die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass Neurone mit hohem CREB-Spiegel in Gedächtnisspuren integriert werden,  und an der molekularen Konsolidierung beteiligt sind.

Wir werden der Hypothese nachgehen, dass der Proteintransport von der Synapse zum Zellkern CREB Transkritionskomplexe stabilisert und daher in die zelluläre Zuordnung und/oder molekulare Konsolidierung von Gedächtnis involviert ist. Ein zweites Ziel ist, die molekularen Prinzipien der Jacob-induzierten Kopplung von Erregung und Transkription als eine neurale Resource in pyramidalen CA1 Neuronen zu nutzen. Dazu werden transgene Mausmodelle und virale Interventionen kombiniert, sowie die Analyse synaptischer Funktion, neuraler Schaltkreise und Verhalten experimentell verknüpft, mit dem ultimativen Ziel der Mobilisierung und Verstärkung von Resourcen und der Freisetzung von versteckten Potenzialen.    

Publikationen des Projektes A02