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

dc.contributor.advisorSabaka, Takeshi Dr.de
dc.contributor.authorWadel, Kristiande
dc.date.accessioned2009-07-02T06:52:52Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T14:25:42Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:19Zde
dc.date.issued2009-07-02de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B4F6-Fde
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3244
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3244
dc.description.abstractDie 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.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleThe mechanism mediating fast neurotransmitter release at the calyx of Held synapsede
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDer Mechanismus der schnellen Neurotransmitterfreisetzung an der Heldde
dc.contributor.refereeNeher, Erwin Prof. Dr.de
dc.date.examination2008-10-20de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaftende
dc.subject.dnbBiologiede
dc.description.abstractengFast and synchronous neurotransmitter release relies on the time course of calcium influx into the terminal, the availability of fusion competent vesicles and the proteins comprising the release machinery. Studies in glutamatergic synapses have identified a subpopulation of vesicles in the releasable pool that do not fuse in response to action potential (AP) driven calcium influx and release only slowly in response to sustained stimulation. The nature of these reluctant vesicles, however, remained unclear.This question was investigated at the calyx of Held, a large glutamatergic synapse in the auditory brainstem. By combining electrophysiological recordings of the pre and postsynaptic compartments with calcium imaging and uncaging, it is shown that uniform elevations of the intracellular calcium concentration in the presynaptic terminal were able to elicit rapid release after the vesicles mediating fast and synchronous neurotransmitter release had been depleted. The calcium sensitivity of reluctant vesicles was reduced only 2-fold which is insufficient to explain the 10-fold slower release kinetics that is observed in response to sustained depolarizations of the presynaptic terminal. It is concluded, that reluctant vesicles are indeed release competent, but that their distance to calcium channel clusters at the active zone prevents them to release in response to APs. This indicates that the incorporation of vesicles into the vicinity of calcium channels at the active zone (a positional priming step) is rate-limiting in fast neurotransmitter release rather than acquiring fusion competence (a molecular priming step).The accessibility of the presynaptic terminal of the calyx of Held to patch-pipettes allows one to infuse toxins and peptides to further investigate the positional priming step in exocytosis. Here, it is shown that the N-terminal of synaptobrevin is important for mediating this step, which has been indicated in a previous study based on the effect of tetanus neurotoxin (TeNT) on release at the calyx of Held. In contrast, it was found that BoNT/B, which shares the same cleavage site as TeNT but requires a different binding site on synaptobrevin, changes the intracellular calcium sensitivity of vesicles for fusion, likely by interfering with vesicle exocytosis at a step between calcium sensing and fusion. Positional priming was also affected when a C-terminal peptide from rabphilin3a s C2B domain was infused into the calyx of Held, which blocked synaptic transmission, potentially by interacting with SNAP-25. Its effect on the kinetics of release mimics that of TeNT as it preferentially blocked the fast component of release.These results highlight the importance of calcium channel-vesicle coupling as well as the delicate interplay of multiple proteins of the release machinery in mediating fast neurotransmitter release.de
dc.contributor.coRefereeJahn, Reinhard Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeMoser, Tobias Dr.de
dc.subject.topicMolecular Biology & Neurosciences Programde
dc.subject.gerElektrophysiologiede
dc.subject.gerExozytosede
dc.subject.gerExzitatorischer Postsynaptischer Stromde
dc.subject.gerHeld'sche Calyxde
dc.subject.gerHirnstammde
dc.subject.gerKalziumde
dc.subject.gerKalziumkanälede
dc.subject.gerKinetikde
dc.subject.gerModellede
dc.subject.gerNeurotransmitterde
dc.subject.gerPatch-Clamp Technikende
dc.subject.gerPhotolysede
dc.subject.gerPräsynaptische Nervenendigungde
dc.subject.gerRattende
dc.subject.gerSynapsende
dc.subject.gerSynaptische Übertragungde
dc.subject.gerSynaptische Vesikelde
dc.subject.gerTierede
dc.subject.engAnimalsde
dc.subject.engBrain Stemde
dc.subject.engCalciumde
dc.subject.engCalcium Channelsde
dc.subject.engCalyx of Heldde
dc.subject.engElectrophysiologyde
dc.subject.engExcitatory Postsynaptic Currentsde
dc.subject.engExocytosisde
dc.subject.engKineticsde
dc.subject.engModelsde
dc.subject.engNeurotransmittersde
dc.subject.engPatch-Clamp Techniquesde
dc.subject.engPhotolysisde
dc.subject.engPresynaptic Terminalsde
dc.subject.engRatsde
dc.subject.engSynapsesde
dc.subject.engSynaptic Transmissionde
dc.subject.engSynaptic Vesiclesde
dc.subject.bk42.12de
dc.subject.bk42.15de
dc.subject.bk42.17de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2157-6de
dc.identifier.purlwebdoc-2157de
dc.affiliation.instituteGöttinger Graduiertenschule für Neurowissenschaften und molekulare Biowissenschaften (GGNB)de
dc.subject.gokfullWCK 000: Bioelektrizität und Biomagnetismus {Biophysik}de
dc.identifier.ppn61017035Xde


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