RIMs and RIM interacting proteins

Abstract

Neurons transmit signals to their target cells at specialized contact sites called synapses. At chemical synapses the signal propagation is mediated by the fusion of neurotransmitter filled synaptic vesicles with the presynaptic plasma membrane and the subsequent release of transmitter into the synaptic cleft. As compared to other cellular fusion events, the exocytotic release of neurotransmitter is extremely fast, highly regulated and spatially restricted, but also dynamically modulated. Fusion occurs only at a specialized region of the presynaptic plasma membrane, called the active zone. It is precisely aligned with the postsynaptic reception apparatus, and electron microscopic studies clearly show electron-dense structures lining the plasma membrane on both sides of the synaptic cleft. In the presynaptic terminal this electron-dense cytoskeletal matrix is referred to as the cytomatrix at the active zone (CAZ). So far five protein families have been identified to be highly enriched at active zones: Munc13s, RIMs, ELKS, Bassoon/Piccolo and Liprin-α. Additionally, the proteins linking the Active Zone to other functional parts of the presynapse, like the synaptic vesicle cycle or voltage gated calcium channels, play crucial roles in the regulation of transmitter release. In recent years studies using genetic, biochemical, structural and electrophysiological approaches have begun to elucidate how some these proteins are involved in the regulation of synaptic vesicle exocytose, in mediating use-dependent changes during different forms of plasticity and in the structural organization of the active zone. <br /> In this study I concentrated on some of the protein families potentially involved in the process of synaptic vesicle fusion. Besides further biochemical and genetic characterization of the Active Zone proteins RIM1 and RIM2 in double knockout animals as well as the adaptor protein family RIM-BP and the Synaptotagmin family I also quantified the differential regulation of presynaptically expressed genes in response to pathologically increased synaptic activity in an animal model of temporal lobe epilepsy.<br /> The results of my work will help to look further into the function of interesting proteins and protein families identified in this study that potentially play crucial roles in the regulation of synaptic vesicle exocytosis.

<strong>RIMs und RIM interagierende Proteine: Lokalisation und Funktion unter physiologischen und pathologischen Bedingungen</strong><br /> Die Weiterleitung eines elektrischen Stimulus von einer Nervenzelle zur nächsten erfolgt an spezialisierten zellulären Schnittstellen, den Synapsen. Diese Signalübertragung erfolgt an chemischen Synapsen durch die Fusion synaptischer Vesikel mit der präsynaptischen Membran und die Freisetzung darin enthaltener Neurotransmitter in den synaptischen Spalt. Verglichen mit anderen zellulären sekretorischen Prozessen läuft diese Fusion extrem schnell, streng kontrolliert und örtlich begrenzt ab, gleichzeitig ist er durch eine Vielzahl von Faktoren dynamisch reguliert. Der spezialisierte Bereich der Präsynapse, in dem die Fusion stattfindet, heißt Aktive Zone, und liegt exakt gegenüber des postsynaptischen Neurotransmitterrezeptionsapparats. Die beiden funktionellen Untereinheiten der Synapse lassen sich ultrastrukturell durch elektronendichte Strukturen an den Plasmamembranen auf beiden Seiten des synaptischen Spaltes abgrenzen. Dieses elektronendichte Material wird an der Präsynapse als Cytomatrix an der Aktiven Zone (CAZ) oder präsynaptisches Netz bezeichnet. Bis heute wurden fünf Proteinfamilien identifiziert, deren Mitglieder spezifisch an der Aktiven Zone angereichert sind: Munc13s, RIMs, ELKS, Bassoon/Piccolo und Liprin-α. Neben diesen Poteinen, die aufgrund ihrer Lokalisation offensichtlich an der Regulation der Fusion synaptischer Vesikel, der Vermittlung verschiedener Formen synaptischer Plastizität und/oder der strukturellen Organisation der Aktiven Zone beteiligt sind, konnte bei weiteren Proteinen eine fundamentale Rolle bei der Transmitterfreisetzung nachgewiesen werden. So bildet die Synaptptagmin Familie eine diverse Gruppe von Transmembranproteinen, die über eine potentielle Kalzium-Bindedomäne verfügen und deren Mitglieder teilweise auf synaptischen Vesikeln oder im Umfeld der Aktiven Zone anzutreffen sind.<br /> Im Rahmen meiner Dissertation habe ich mich mit der Verteilung dieser Familien im murinen Gehirn befasst, und neben der molekularbiologischen Charakterisierung auch die transkriptionale und translationale Regulation im Tiermodell für chronische Temporallappenepilepsie untersucht, um genauere Einsichten in die molekularen Grundlagen der synaptischen Vesikelfusion und Plastizität in Reaktion auf gesteigerte synaptische Aktivität zu erlangen. Des weiteren konnte ich durch die Charakterisierung der RIM1α/RIM2α Doppelknockout-Maus erheblich zum Verständnis der gemeinsamen und unterschiedlichen Funktionen dieser beiden Mitglieder der RIM-Familie beitragen.