The mechanism mediating fast neurotransmitter release at the calyx of Held synapse

Abstract

Die schnelle Freisetzung von Neurotransmittern wird vom Zeitverlauf des Kalziumeinstroms in die präsynaptische Nervenendigung, der Verfügbarkeit von fusionskompetenten Vesikeln und den für die Freisetzung notwendigen Proteinen bestimmt. Studien in glutamatergen Synapsen konnten zeigen, dass ein Teil der Vesikelpopulation des releasable pool nicht durch den von Aktionspotentialen induzierten Kalziumeinstrom fusioniert, sondern erst durch anhaltende Stimulation der Nervenendigung zur Neurotransmitterfreisetzung beiträgt. Die Frage nach den Ursachen für diese langsame Freisetzung blieb unbeantwortet.In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, diese Frage in der Held schen Calyx, einer glutamatergen Synapse im auditorischen Hirnstamm, zu erforschen. Hierfür wurden elektrophysiologische Ableitungen der präsynaptischen Nervenendigung und des postsynaptischen Zellkörpers mit der Messung und kontrollierten Erhöhung der präsynaptischen intrazellulären Kalziumkonzentration kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass die gleichmäßige, präsynaptische Freisetzung von Kalzium schnelle Neurotransmitterfreisetzung zur Folge hat, auch wenn die Population der schnell freisetzenden Vesikel vorher erschöpft wurde. Die Sensitivität der langsam freisetzenden Vesikel für Kalzium war dabei nur um die Hälfte verringert. Diese Verringerung ist daher nicht ausreichend um die zehnfach niedrigere Kinetik dieser Vesikel zu erklären, die bei anhaltender Depolarisation der präsynaptischen Nervenendigung beobachtet wurde. Daraus folgt, dass auch die langsam freisetzenden Vesikel fusionskompetent sind, diese aber aufgrund einer größeren Distanz zu den präsynaptischen Kalziumkanälen der aktiven Zone keine Neurotransmitterfreisetzung in Folge von Aktionspotentialen zeigen. Für die schnelle Freisetzung von Neurotransmittern wäre demnach nicht das Erreichen der Fusionskompetenz ( molecular priming ) limitierend, sondern die Rekrutierung von Vesikeln in Zonen mit einer dichten Population von Kalziumkanälen ( postional priming ).Die Verwendung von Patch-Pipetten in der Held schen Calyx erlaubt es Toxine und Peptide in die präsynaptische Nervenendigung einzubringen, um so das positional priming im Kontext der Vesikel-Exocytose näher zu betrachten. Es wird gezeigt, dass das N-terminale Ende von Synaptobrevin für diesen Schritt von entscheidender Bedeutung ist, wie es in früheren Studien zum Effekt von TeNT in der Held schen Calyx postuliert wurde. Im Gegensatz dazu verändert BoNT/B (welches Synaptobrevin an derselben Stelle schneidet wie TeNT, jedoch andere Bindungsstellen benötigt) die Sensitivität der Vesikel für intrazelluläres Kalzium, wahrscheinlich durch einen Eingriff in den Exocytose-Zyklus kurz vor der finalen Fusion der Vesikel.Das positional priming wird ebenfalls durch das Peptid des C-terminalen Endes der C2B Domäne von Rabphilin3a behindert, welches die synaptische Übertragung vermutlich durch eine Interaktion mit SNAP-25 blockiert. Der Effekt auf die Kinetik der Neurotransmitterfreisetzung ähnelt dabei dem von TeNT.Diese Ergebnisse heben daher die besondere Bedeutung der funktionalen Kopplung von Vesikeln und Kalziumkanälen und die enge Interaktion der an der Exozytose beteiligten Proteine für die schnelle Freisetzung von Neurotransmittern hervor.