Analysis of two kinetically distinct components of transmitter release at a fast synapse of the mammalian central nervous system

Abstract

Zwei kinetisch unterschiedliche Komponenten der Transmitterfreisetzung wurden in [Ca2+]i-Elevationsexperimenten (Ca2+ uncaging) an einer Synapse des Zentralnervensystems von Ratten beobachtet, und beide Komponenten zeigten in ihrer Freisetzungskinetik eine starke Abhängigkeit von der [Ca2+]. Diese Befunde basieren auf gleichzeitigen prä- und postsynaptischen Ganzzell-Ableitungen von der Held schen Calyx-Synapse unter Spannungsklemme (voltage clamp) und wurden mit präsynaptischer [Ca2+]i-Elevation und [Ca2+]i-Messung kombiniert. Präsynaptische Transmitterfreisetzungsraten wurden mittels postsynaptischer exzitatorischer Ströme dekonvolviert, so daß eine Korrelation der erhaltenen Freisetzungskinetiken mit den Stimulus-Intensitäten in Form von präsynaptischer [Ca2+] ermöglicht wurde. Darüberhinaus konnten diese Ergebnisse anhand von Messungen präsynaptischer Änderungen der Membrankapazität bestätigt werden. In Kontrollexperimenten wurden mögliche Artefakte untersucht, die eventuell eine apparente biphasische Freisetzung während [Ca2+]i-Elevationsexperimenten hätten produzieren können. [Ca2+]i-Elevation führte zu einer schrittartigen und räumlich homogenen Erhöhung der [Ca2+]i. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß ein bemerkenswerter Effekt durch Saturation oder Desensitisierung von AMPA-Rezeptoren unwahrscheinlich war. Auch der Einfluß von schneller Wiederauffüllung des schnell freisetzbaren Vesikelvorrats wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß der Freisetzungsverlauf nicht durch Wiederauffüllung biphasisch werden konnte, insbesondre unter Rücksichtnahme der staken [Ca2+]i-Abhängigkeit der langsamen Freisetzungskomponente. Demzufolge wurde intrinsische Heterogenität als Mechanismus vorgeschlagen, die der biphasischen Freisetzungskinetik nach [Ca2+]i-Elevation zugrunde liegt. Ein zusätzlicher Einfluss auf die Freisetzung durch positionelle Heterogenität innerhalb der schnellen Komponente während präsynaptischer Depolarisationen wurde aber auch beobachtet. Zusätzlich wurde entdeckt, daß der relative Beitrag der schnellen und der langsamen Freisetzungskomponente von der [Ca2+]i abhängt. Bei höherer [Ca2+]i wurden mehr Vesikel mit schneller Kinetik freigesetzt als bei schwächeren [Ca2+]i-Elevationsstimuli. Demnach konnte submaximale Freisetzung der schnellen Freisetzungskomponente bei niedriger [Ca2+]i zum ersten Mal an einer Synapse des Zentralnervensystems beobachtet werden, und dieses Verhalten kann nicht mit bereits existierenden Modellen der Transmitterfreisetzung erklärt werden. Bei höherer [Ca2+]i stieg der Anteil an schneller Freisetzung auf Kosten der langsamen Komponente, und dies deutet auf eine Konvertibilität zwischen schnell und langsam freisetzenden Vesikeln hin. Eine Verlangsamung der Zeitkonstante der schnellen Freisetzung nach schwacher Vorstimulation konnte darüber hinaus experimentell beobachtet werden.