Schwerpunkt unserer Forschungstätigkeit ist die Anpassung und Entwicklung hochauflösender mikroskopischer Verfahren zur Analyse von Signal- und Transportprozessen in lebenden Zellen, insbesondere der präsynaptischer Mechanismen während der synaptischen Signalübertragung zwischen Nervenzellen. An der Synapse, den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, erfolgt eine schnelle Freisetzung von Botenstoffen (Neurotransmittern) aus kleinen präsynaptischen Vesikeln, die durch Einstrom von Ca2+-Ionen zur Verschmelzung mit der Plasmamembran angeregt werden.

Abbildung 1A: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Synapse von kultivierten Nervenzellen aus der Hippocampus-Formation einer Ratte. Sie enthält 100-200 synaptische Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Einige der Vesikel sind in der sogenannten „Aktiven Zone“ (schwarze Verdickung der Membran) an die Membran angedockt und können nach elektrischer Stimulation unmittelbar mit der präsynaptischen Membran verschmelzen. In Abbildung 1B sind postulierte Wege und Mechanismen der Vesikelwiedergewinnung dargestellt. Abbildung 1C zeigt eine dreidimensionale Rekonstruktion elektronenmikroskopischer Schnitte einer Synapse aus dem Hippocampus (rot: „active zone“; grün: Vesikel; blau: Mitochondrien; gelb: endocytotische Zwischenstadien).

Um die synaptische Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten, muss der Pool an freisetzungsbereiten Vesikeln in der Präsynapse durch einen umgekehrten Prozess, die Endocytose, wieder aufgefüllt werden. Diesen Vorgang untersuchen wir mit hochauflösenden lichtmikroskopischen Verfahren, wie 2-Photonen-Laser-Rastermikroskopie, Photoaktivierungs-Lokalisations-Mikroskopie (FPALM), Totale interne Reflektionsmikroskopie (TIRF, Abbildung 2) sowie elektrophysiologischen und elektronenmikroskopischen Methoden, inklusive der 3D-Tomographie. Darüber hinaus werden molekularbiolgische Techniken zur gezielten genetischen Manipulation der untersuchten Zellen und Organismen angewandt.

Abbildung 2: A,B: Experimenteller und schematischer Aufbau eines TIRF-Mikroskops. C,D: Zeitaufgelöste mikroskopische Aufnahmen des „Fußabdrucks“ einer Fibroblastenzelle. Die Exocytose einzelner Vesikel kann durch endogene Markierung eines Transferrin-Rezeptors mit einer pH-sensitiven Variante des grün fluoreszierenden Proteins (pHluorin) detektiert werden. (siehe Pfeile). Dieses markierte Rezeptormolekül pendelt zwischen der Plasmamembran und sauren Endosomen (Skala: 5 µm).

 

Durch Überexpression endogener Fluoreszenzmarker (z.B. Synapto-pHluorin, Abbildung 3) und Untersuchungen an genetisch veränderten Tiermodellen (“knock-out”) kann die Funktion von Proteinen, die an der synaptischen Übertragung beteiligt sind, untersucht und gezielt manipuliert werden.

Abbildung 3: A,B: DIC- und Fluoreszenz-Aufnahmen von kultivierten Neuronen des Hippocampus. Die synaptischen Vesikel in einzelnen aktiven Synapsen sind mit dem Fluoreszenzfarbstoff FM1-43 markiert. C: Fluoreszenzsignale von Verschmelzungsereignissen einzelner Vesikel in Synapto-pHluorin exprimierenden Synapsen (siehe Pfeile, Skala 5 µm).

Ausgewählte Publikationen

  1. Rajappa R, Gauthier-Kemper A, Böning D, Hüve J, Klingauf J. (2016) Synaptophysin 1 Clears Synaptobrevin 2 from the Presynaptic Active Zone to Prevent Short-Term Depression. Cell Rep. 14(6):1369-81.
  2. Gauthier-Kemper A, Kahms M, Klingauf J. (2015) Restoring synaptic vesicles during compensatory endocytosis. Essays Biochem. 57:121-134.
  3. Hua Y, Woehler A, Kahms M, Haucke V, Neher E, Klingauf J. (2013) Blocking endocytosis enhances short-term synaptic depression under conditions of normal availability of vesicles. Neuron 80(2):343-349.
  4. Hua Y, Sinha R, Thiel C, Schmidt R, Hüve J, Marten, H, Hell SW, Egner A, Klingauf J. (2011) A readily retrievable pool of synaptic vesicles. Nat Neurosci. 14: 833 -839.
  5. Hua Y, Sinha R, Martineau M, Kahms M, Klingauf J. (2010) A common origin of synaptic vesicles undergoing evoked and spontaneous fusion. Nat Neurosci. 13: 1451-1453.
  6. Groemer, T.W., Klingauf, J. (2007). Synaptic vesicles recycling spontaneously and during activity belong to the same vesicle pool. Nature Neurosci. 10(2):145-147.
  7. Takamori, S., Holt, M.; Lemke, E.A., Riedel, D., Urlaub, H., Schenck, S., Stenius, K., Brügger, B., Ringler, P., Müller, S.A., Rammner, B., Gräter, F., De Groot, B.L., Mieskes, G., Moriyama, Y., Klingauf, J., Grubmüller, H., Heuser, J., Wieland, F., Jahn, R. (2006). Molecular anatomy of a trafficking organelle. Cell 127(4): 831-846.
  8. Wienisch, M., Klingauf, J. (2006). Vesicular proteins exocytosed and subsequently retrieved by compensatory endocytosis are non-identical. Nature Neurosci. 9(8):1019-1027.