Functional Genetics of the Synapse

Calcium (Ca2+) plays a global role as a second messenger. In fact, numerous dysfunctions and degenerative processes in the nervous system and other organs correlate with changes in intracellular Ca2+ homeostasis, yet the underlying causal relationships remain largely unresolved. Using larval neuromuscular junctions of the fruit fly Drosophila as a model, we address the effects of chronically  disturbed cytosolic Ca2+ levels on the structure and function of glutamatergic synapses. To this end we pursue genetic, molecular and biochemical approaches, and, in close collaboration with the ELMI special lab, combine them with high- and super-resolution microscopy and with live imaging . A particular focus is placed on the role of plasma membrane calcium pumps (PMCAs) and their molecular interactions. These proteins also constitute a conceptual link to a project pursued with colleagues at the OvGU Magdeburg, in which we address the functional role of Neuroplastin, an essential binding partner of PMCAs, for immune cells in mammals.   

  • Head

    Head

    Uli Thomas is heading the "AG Functional Genetics of the Synapse", currently with a major focus on molecular, strutural and plasticity-related aspects of normal and disturbed calcium homeostasis.

    He did his diploma and PhD theses in the lab of Elisabeth Knust at the Institute for Developmental Biology, University of Cologne. Both theses were dedicated to the cloning and characterization of the Drosophila gene Serrate, which encodes a bona fide ligand of Notch. In 1993 he joined Eckart Gundelfinger's department at the Institute for Neurobiology in Magdeburg to study fly homologs of by then newly identified synaptic proteins. In close collaborations with the labs of Vivian Budnik (Massachusetts, USA) and Jimena Sierralta (Santiago, Chile), and including a 1.5 yr. research stay in the Budnik lab, he uncovered Dlg, the Drosophila representative of PSD-95-like scaffold proteins, as a principal organizer of the molecular architecture of glutamatergic synapses. Current research in his lab can be traced back to this earlier work.

  • Members

    Members

    Head  
    Dr. Ulrich Thomas+49-391-6263-93231ulrich.thomas@lin-magdeburg.de
    PhD students  
    Xiao Lin+49-176-58754669xiao.lin@lin-magdeburg.de
    Nikhil Tiwari+49-391-6263-93351nikhil.tiwari@lin-magdeburg.de
    Technical staff member  
    Kathrin Gruß+49-391-6263-93211kathrin.gruss@lin-magdeburg.de
    Guest  
    Francisca Bertin   

     

  • Projects

    Projects

    Auswirkungen gestörter Calciumgleichgewichte auf Struktur und Funktion glutamaterger Synapsen

    Dieses Projekt verfolgen wir derzeit in enger Kooperation mit Oliver Kobler (LIN, Speziallabor ELMI) sowie mit den Arbeitsgruppen von Stephan Sigrist (FU Berlin), Jimena Sierralta (Universidad de Chile, Santiago) und Carsten Duch (Uni Mainz).

    Nahezu alle zellulären Vorgänge sind durch Signale in Form kurzzeitig erhöhter cytosolischer Calciumkonzentration reguliert. Dies gilt in besonderem Maße für die synaptische Kommunikation im Nervensystem, speziell für die präsynaptische Freisetzung von Neurotransmitter und deren postsynaptische Prozessierung. Molekulare Vorgänge, die den Influx von Calcium durch synaptische Ionenkanäle kontrollieren und in synaptische Transmission umsetzen sind daher Gegenstand intensiver Forschung (z.B. Schneider et  al., 2015). Weniger gut untersucht ist dagegen der Beitrag, den die verschiedenen Mechanismen zur Justage bzw. Wiederherstellung des basalen Calciumlevels leisten. Tatsächlich wird jedoch vermutet, dass es gerade auf dieser Ebene zu alters- oder krankheitsrelevanten Störungen neuronaler Funktionen kommen kann.

    An der als Modellsystem gut etablierten larvalen neuromuskulären Verbindung (NMJ) von Drosophila (z.B. Thomas and Sigrist, 2012) untersuchen wir die Auswirkungen langfristig verstellter Calciumlevel auf die Struktur und Funktion glutamaterger Synapsen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Plasmamembran-ständige Calcium Pumpe PMCA und ihre Interaktionspartner Dlg und Basigin/Neuroplastin gerichtet. Dabei verwenden wir genetische Verfahren, um prä- und postsynaptische Verteilungen und Funktionen dieser Proteine differentiell zu addressieren und analysieren u.a. die Neurotransmitterfreisetzung an individuellen synaptischen Kontakten an Lebendpräparaten als "Read-Out". Neben den Abhängigkeitsverhältnissen der genannten Proteine interessiert uns das Beziehungsgeflecht mit anderen Komponenten aus dem "Toolkit" für die Regulation von synaptischen Calciumsignalen. Wiederum basierend auf genetischen Ansätzen kommen hierbei verschiedene Analyseverfahren zur Anwendung. Insbesondere wird STED-Mikroskopie hierbei angewandt, um die subzelluläre Kompartmentalisierung beteiligter Proteine und Organellen mit besonderer Genauigkeit zu erfassen.

     

    Molekulare Charakterisierung der Interaktion zwischen Neuroplastin und PMCA-Calciumpumpen

    Dieses Vorhaben verfolgen wir in enger Kooperation mit Karl-Heinz Smalla (LIN, Speziallabor Molekularbiologische Techniken), Thilo Kähne (OvGU Magdeburg) und Rodrigo Herrera-Molina (LIN, AG Synaptische Signalübertragung).

    Neuroplastin wurde kürzlich von uns und anderen Kollegen als essentielle Untereinheit der PMCA identifiziert (z.B. Korthals et al., 2017). Dieses Projekt zielt darauf ab, die Interaktion zwischen beiden Proteinen sowie die kompensatorische Kapazität des Neuroplastin-verwandten Proteins Basigin bei Verlust von Neuroplastin näher zu charakterisieren. Neben stöchiometrischen Analysen führen wir hierzu Struktur-Funktionsanalysen sowohl in Zellinien, neuronalen Primärkulturen und im Drosophila Modell durch. In letzterem verfolgen wir zudem die Frage nach Art und Notwendigkeit von molekularen und zellulären Mechanismen, die der Stabilisierung von PMCA durch Neuroplastin/Basigin zugrunde liegen.

     

    Die Rolle von Neuroplastin im Immunsystem

    Dieses Projekt verfolgen wir in enger Kooperation u.a. mit den Arbeitsgruppen von Klaus-Dieter Fischer, Ildiko Dunay und Monika Bunner-Weinzierl an der OvGU Magdeburg.

    Die Aktivierung von Immunzellen, insbesondere auch T-Zellen, ist in hohem Maße durch den Einstrom von Calcium kontrolliert. Mit der Identifizierung von Neuroplastin als Untereinheit aller PMCA Isoformen in Säugern lassen sich anhand der von Dirk Montag (LIN, Servicelabor Neurogenetik) generierten Mausmutanten für Neuroplastin die Auswirkungen gestörter Calciumhomöostase im Immunsystem analysieren. Nach Darstellung der Expression und prinzipiellen Bedeutung von Neuroplastin für die Calcium-abhängige Aktivierung von T-Zellen  (Korthals et al., 2017) fokussieren wir derzeit auf die Folgen, die ein Ausfall von Neuroplastin und damit verbundene Reduktion von PMCAs auf die Immunantworten in Infektions- und Tumormodellen hat. Dabei wird die Reaktivität verschiedener Zelltypen analysiert und insbesondere wird die Möglichkeit der Erschöpfung von T-Zellen evaluiert. 

  • Selected Publications

    Selected Publications

    Bachmann, A., Kobler, O., Kittel, R., Wichmann, C., Sierralta, J., Sigrist, S.J., Gundelfinger, E.D., Knust, E., and Thomas, U. (2010). A perisynaptic ménage à trois between Dlg, DLin-7 and Metro controls proper organization of Drosophila synaptic junctions. J. Neurosci. 30: 5811- 5824. Available from: 10.1523/JNEUROSCI.0778-10.2010

    Erdmann I, Marter K, Kobler O, Niehues S, Abele J, Müller A, Bussmann J, Storkebaum E, Ziv T, Thomas U*, Dieterich DC* (2015) Cell-selective labelling of proteomes in Drosophila melanogaster. Nat Commun. 6:7521. doi: 10.1038/ncomms8521. (*corresponding authors) Available from: 10.1038/ncomms8521

    Korthals M, Langnaese K, Smalla KH, Kähne T, Herrera-Molina R, Handschuh J, Lehmann AC, Mamula D, Naumann M, Seidenbecher C, Zuschratter W, Tedford K, Gundelfinger ED, Montag D, Fischer KD*, Thomas U* (2017) A complex of Neuroplastin and Plasma Membrane Ca2+ ATPase controls T cell activation. Sci Rep. 7(1):8358. doi: 10.1038/s41598-017-08519-4. (*: corresponding authors) Available from: 10.1038/s41598-017-08519-4

    Schneider R, Hosy E, Kohl J, Klueva J, Choquet D, Thomas U, Voigt A, Heine M. (2015) Mobility of calcium channels in the presynaptic membrane. Neuron 86: 672-9. Available from: 10.1016/j.neuron.2015.03.050

  • Current Third Party Funds

    Current Third Party Funds

    2010-2021
    SFB 854 "Molecular organisation of cellular communication within the immune system" 
    Project B08: "Role of the synaptic cell adhesion molecule Neuroplastin in the immune system"
    http://www.sfb854.de/en/Projects/B+08.html

  • Teaching

    Teaching

    We are involved in the education of students in the master's program "Integrative Neuroscience" .

    In the course "Molecular Neurobiology" we introduce basic molecular genetic and biochemical methods and in the practical course "Genetic Models" we provide insights into the use of Drosophila in cellular neurobiology. We regularly supervise students in rotational internships. We also supervise one to two master's and/or bachelor's theses per year.

    If you are interested, please contact the head of this group.

  • Our group activities

    Our group activities

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