Computation of direction selectivity in retinal starburst amacrine cell dendrites – studied using electrophysiological recordings and two-photon imaging

Neuronal circuits in the retina analyze images according to qualitative aspects such as color or motion, before the information is transmitted to higher visual areas of the brain. One example, studied for over the last four decades, is the detection of motion direction in ‘direction selective’ neurons. Recently, the starburst amacrine cell, one type of retinal interneuron, has emerged as an essential player in the computation of direction selectivity. In this study the mechanisms underlying the computation of direction selective calcium signals in starburst cell dendrites were investigated using whole-cell electrical recordings and two-photon calcium imaging. Analysis of the somatic electrical responses to visual stimulation and pharmacological agents indicated that the directional signal (i) is not computed presynaptically to starburst cells or by inhibitory network interactions. It is thus computed via a cell-intrinsic mechanism, which (ii) depends upon the differential, i.e. direction selective, activation of voltage-gated channels. Optically measuring dendritic calcium signals as a function of somatic voltage suggests (iii) a difference in resting membrane potential between the starburst cell’s soma and its distal dendrites. In conclusion, it is proposed that the mechanism underlying direction selectivity in starburst cell dendrites relies on intrinsic properties of the cell, particularly on the interaction of spatio-temporally structured synaptic inputs with voltage-gated channels, and their differential activation due to a somato-dendritic difference in membrane potential.

Physiologische Untersuchungen an der Stäbchenbahn der Nagerretina

AII Amakrinzellen sind Interneurone in der Retina und ein wichtiges Element der Stäbchenbahn von Säugetieren. Bei ihren Antworten auf Lichtreize generieren sie Aktionspotentiale, obwohl die ihnen vor- und nachgeschalteten Bipolarzellen graduierte Membranpotentiale aufweisen. Um die Verarbeitung der Lichtsignale in der Stäbchenbahn der Säuger besser zu verstehen wurden in der vorliegenden Arbeit Membranströme von AII Amakrinzellen und Veränderungen der intrazellulären Kalziumkonzentration mittels Indikatorfarbstoffe bei Mäusen simultan gemessen.Die spannungsabhängigen Kalziumkanäle waren durch eine negative Aktivierungsschwelle und eine sehr langsame Inaktivierung gekennzeichnet¸ ausserdem wurden sie von Dihydropyridinen (Agonisten und Antagonisten) moduliert. Sie fanden sich vor allem auf den keulenförmigen Fortsätzen von AII Amakrinzellen. Lokale Applikationen von Glutamat, AMPA oder Kainat lösten einwärtsgerichtete Ströme aus. Diese Ströme gingen einher mit einer Erhöhung der Fluoreszenz und zwar vor allem in den distalen Dendriten. NMDA löste keine Veränderung der Kalziumkonzentration aus und nur in wenigen Fällen Ströme (7 von 23).Diese Befunde deuten darauf hin, dass es sich bei den ionotropen Glutamat-Rezeptoren auf AII Amakrinzellen um solche vom AMPA Typ handelt. Diese befinden sich, sofern sie kalziumpermeabel sind (oder durch andere Mechanismen zu einer Erhöhung der [Ca2+]i führen) auf den distalen Dendriten nahe der Ganglienzellschicht.

Lokalisation und Verteilung von Synapsen auf identifizierten Zellen im Zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster

Wir präsentieren zwei Techniken, mit deren Hilfe es erstmals möglich ist, zentralnervöse Synapsen im Zentralen Nervensystem (ZNS) von Drosophila melanogaster reproduzierbar darzustellen und experimentellen Methoden zugänglich zu machen. Die erste Technik beruht auf dem UAS/Gal4-System und ermöglicht die Expression markierter synaptischer Proteine in bekannten reproduzierbaren Neuronen. Die zweite Technik beruht auf der Einzel-Zelltransplantation und erlaubt die reproduzierbare Visualisierung von Synapsen in allen neuralen Zell-Linien des Drosophila Bauchmark.Mit Hilfe dieser Techniken konnte gezeigt werden, dass Neuriten im Bauchmark von Drosophila mindestens drei unterschiedliche Kompartimente aufweisen: 1. Primäre, häufig transversal verlaufende Neurite ohne Output-Synapsen, 2. Seitenneurite von vermutlich rein postsynaptischer Natur und 3. Seitenneurite, die präsynaptisch spezialisierte Regionen aufweisen. Des Weiteren konnten wir nachweisen, dass die Seitenneurite von Motroneuronen im ZNS vermutlich rein postsynaptisch sind. Weitere Beobachtungen veranlassen uns zu der Hypothese, dass motorneuronale Seitenneurite in Drosophila homolog oder analog zu Dendriten in Vertebraten sein könnten.Mit Hilfe der Transplantationstechnik untersuchten wir weiterhin die Funktion des Gens kakapo im ZNS. Obwohl kakapo für die Entwicklung von Synapsen an der Neuromuskulären Verbindung wichtig ist, konnten wir im ZNS keinen Phänotyp feststellen. Dies legt nahe, dass zwischen der Entwicklung von periphären und zentralnervösen Synapsen klare Unterschiede bestehen.

Neuronal differentiation and epithelial integrity: the role of Drosophila Short stop

The nervous system is the most complex organ in animals and the ordered interconnection of neurons is an essential prerequisite for normal behaviour. Neuronal connectivity requires controlled neuronal growth and differentiation. Neuronal growth essentially depends on the actin and microtubule cytoskeleton, and it has become increasingly clear, that crosslinking of these cytoskeletal fractions is a crucial regulatory process. The Drosophila Spectraplakin family member Short stop (Shot) is such a crosslinker and is crucial for several aspects of neuronal growth. Shot comprises various domains: An actin binding domain, a plakin-like domain, a rod domain, calcium responsive EF-hand motifs, a microtubule binding Gas2 domain, a GSR motif and a C-terminal EB1aff domain. Amongst other phenotypes, shot mutant animals exhibit severely reduced dendrites and neuromuscular junctions, the subcellular compartmentalisation of the transmembrane protein Fasciclin2 is affected, but it is also crucially required in other tissues, for example for the integrity of tendon cells, specialised epidermal cells which anchor muscles to the body wall. Despite these striking phenotypes, Shot function is little understood, and especially we do not understand how it can carry out functions as diverse as those described above. To bridge this gap, I capitalised on the genetic possibilities of the model system Drosophila melanogaster and carried out a structure-function analysis in different neurodevelopmental contexts and in tendon cells. To this end, I used targeted gene expression of existing and newly generated Shot deletion constructs in Drosophila embryos and larvae, analyses of different shot mutant alleles, and transfection of Shot constructs into S2 cells or cultured fibroblasts. My analyses reveal that a part of the Shot C-terminus is not essential in the nervous system but in tendon cells where it stabilises microtubules. The precise molecular mechanism underlying this activity is not yet elucidated but, based on the findings presented here, I have developed three alternative testable hypothesis. Thus, either binding of the microtubule plus-end tracking molecule EB1 through an EB1aff domain, microtubulebundling through a GSR rich motif or a combination of both may explain a context-specific requirement of the Shot C-terminus for tendon cell integrity. Furthermore, I find that the calcium binding EF-hand motif in Shot is exclusively required for a subset of neuronal functions of Shot but not in the epidermal tendon cells. These findings pave the way for complementary studies studying the impact of [Ca2+] on Shot function. Besides these differential requirements of Shot domains I find, that most Shot domains are required in the nervous system and tendon cells alike. Thus the microtubule Gas2 domain shows no context specific requirements and is equally essential in all analysed cellular contexts. Furthermore, I could demonstrate a partial requirement of the large spectrin-repeat rod domain of Shot in neuronal and epidermal contexts. I demonstrate that this domain is partially required in processes involving growth and/or tissue stability but dispensable for cellular processes where no mechanical stress resistance is required. In addition, I demonstrate that the CH1 domain a part of the N-terminal actin binding domain of Shot is only partially required for all analysed contexts. Thus, I conclude that Shot domains are functioning different in various cellular environments. In addition my study lays the base for future projects, such as the elucidation of Shot function in growth cones. Given the high degree of conservation between Shot and its mammalian orthologues MACF1/ACF7 and BPAG1, I believe that the findings presented in this study will contribute to the general understanding of spectraplakins across species borders.

Ortsaufgelöste Speziation von Schwermetallen in geogenen Proben mit Röntgenabsorptionsspektrometrie (my-XAS)

Die Vergesellschaftung und Bindungsform von Arsen in Düngekalk wurde durch chemische und mineralogische Analysen sowie XANES/EXAFS-Messungen untersucht. Die durch-schnittliche As-Konzentration im Düngekalk (70 mg/kg) überschreitet den Grenzwert der DüMV (40 mg/kg). Arsen ist in Mn- (Romanechit) und Fe-Dendriten (Goethit, Ferrihydrit) angereichert. Seine Oxidationsstufe ist jeweils 5+. µ-EXAFS-Untersuchungen ergaben Hin-weise auf zweizähnige und einzähnige mononukleare Durchdringungskomplexe mit Eisen-oxid. Das Mobilisierungsverhalten von Arsen wurde durch sequentielle Extraktion des Dün-gekalks und Mobilisierungsversuche mit wassergesättigtem Boden untersucht. Die Lösung erfolgte vorwiegend im dritten Extraktionsschritt gemeinsam mit kristallinen Eisenoxiden. Unter moderat anoxischen Bedingungen war im Boden keine zusätzliche Mobilisierung von Arsen aus dem Düngekalk nachweisbar. Erhöhte As-Konzentrationen und As3+-Anteile im Porenwasser traten bei niedrigem Eh unabhängig von Kalkzugabe auf. Eine Kopplung des Arsen-Grenzwerts an den Eisenoxidgehalt erscheint sinnvoll. Ein Messaufbau für Mikro-XAS Imaging wurde in Betrieb genommen. Er ermöglicht die si-multane Erfassung einer Probenfläche von 26,6×6,6 mm² wahlweise im Transmissions- oder Fluoreszenzmodus mit der räumlichen Auflösung 52×52 µm² durch eine CCD-Kamera. Zur Datenverarbeitung wurden IDL-Programme sowie die Fernerkundungssoftware ENVI ver-wendet. Die Messergebnisse zeigen weniger Störungen und Rauschen als die Ergebnisse frü-herer Messungen mit einem Prototyp. Die Ergebnisse und Erfahrungen der Messungen liefern Hinweise für die weitere erfolgreiche Nutzung des Messaufbaus.

Intrazelluläre Lokalisation und synaptische Ausschüttung der Neurotrophine in hippokampalen Neuronen und die Bedeutung von BDNF bei hippokampaler synaptischer Plastizität

Die Mitglieder der Neurotrophin-Familie (NGF, BDNF, NT-3 und NT-4) sind sekretierte Neuropeptide, die eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung von Nervenzellen und bei der Modulation der synaptischen Transmission spielen. Wenngleich eine aktivitätsabhängige Sekretion von BDNF bereits gezeigt werden konnte, wurden die subzelluläre Expression und die Ausschüttung der anderen Neurotrophine bislang nur unzureichend charakterisiert. Um die Expression und die Ausschüttung aller Neurotrophine unter identischen Bedingungen untersuchen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit das Expressionsmuster und die synaptische Ausschüttung GFP-markierter Neurotrophine in dissoziierten hippokampalen Neuronen mit Hilfe der konfokalen Fluoreszenz-Videomikroskopie zeitaufgelöst untersucht. Zwei Phänotypen konnten unterschieden werden: der distale vesikuläre Expressionstyp mit Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln in distalen Neuriten, und der proximale Expressionstyp mit einer diffusen Neurotrophin-Verteilung in den Neuriten und Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln im Soma des Neurons und in den proximalen Dendriten. Der distale vesikuläre Phänotyp entsprach einer Verteilung des entsprechenden Neurotrophins in die sekretorischen Granula des aktivitätsabhängigen Sekretionsweges, während der proximale Phänotyp den Transport eines Neurotrophins in den konstitutiven Sekretionsweg widerspiegelte. Alle Neurotrophine erreichten in hippokampalen Neuronen prinzipiell beide Sekretionswege. Jedoch gelangten BDNF und NT-3 mit einer größeren Effizienz in den regulierten Sekretionsweg als NT-4 und NGF (BDNF: in 98% aller Zellen, NT-3: 85%, NT-4: 23% und NGF: 46%). Neurotrophine besitzen, wie es für sekretorische Peptide üblich ist, eine Vorläufersequenz, die während der Reifung des Proteins proteolytisch abgespalten wird. Die Fusion dieser Präpro-Sequenz von BDNF mit der Sequenz des maturen NT-4 bewirkte einen effizienteren Transport von NT-4 in die sekretorischen Granula des regulierten Sekretionsweges, und zeigte die große Bedeutung der Präpro-Sequenz für das zelluläre Verteilungsmuster von Neurotrophinen. In Neuronen, in denen die Neurotrophine in den regulierten Sekretionsweg transportiert wurden, konnte eine aktivitätsabhängige Sekretion der Neurotrophine an postsynaptische Strukturen glutamaterger Synapsen beobachtet werden. Die aktivitätsabhängige postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine zeigte eine Heterogenität in der Kinetik der Sekretion (exponentieller Abfall des Neurotrophin-Signals mit Zeitkonstanten von tau = 121 bis 307s). Die Präinkubtion mit dem Protonen-Ionophor Monensin, welcher die Neutralisation des intragranulären pH-Wertes und somit die Solubilisierung der dicht gepackten Proteinstrukturen in den Vesikeln erzwingt, erhöhte die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung auf den Wert des unter physiologischen Bedingungen schnellsten Neurotrophins NT-4. Dennoch blieb die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur Neurotransmitter-Ausschüttung langsam (tau = 13 ± 2 s). Diese Daten belegen eindeutig, dass die Neutralisation der sekretorischen Granula die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung kritisch determiniert und die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur konventionellen Neurotransmitter-Ausschüttung langsam erfolgt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das Neurotrophin BDNF effizient in distale vesikuläre Strukturen von CA1 Pyramidenzellen organotypischer Schnittkulturen des Hippokampus sortiert wird. Die basalen elektrischen Eigenschaften von CA1 Pyramidenzellen BDNF-defizienter Mäuse sind vergleichbar zu den Eigenschaften von Wildtyp Mäusen. Sowohl das Eigenpotential der CA1 Pyramidenzellen, die Form der Aktionspotentiale als auch die evozierten Antworten der CA1 Pyramdenzellen auf eine gepaarte präsynaptische Stimulation der Schaffer-Kollateralen zeigten bei BDNF-/- -, BDNF+/- - und BDNF+/+ -Mäusen keine signifikanten Unterschiede. Die Fähigkeit der CA1 Pyramidenzellen auf eine hochfrequente Reizung mit einer Langzeitpotenzierung (LTP) der postsynaptischen Ströme zu reagieren ist jedoch bei den BDNF-defizienten Mäusen beinträchtigt. Eine verminderte Induktion von LTP war in den BDNF-defizienten Mäusen nach tetanischer Stimulation der präsynaptischen Schaffer-Kollateralen und simultaner postsynaptischer Depolarisation der CA1 Pyramidenzelle zu beobachten.

Lokalisierung der Fortsatz-induzierenden Domäne von Transmembran-Agrin

Aggregation oder Überexpression der Transmembran-Isoform des extrazellulären Matrix-Proteoglycans Agrin in Neuronen führt zur Bildung zahlreicher filopodienartiger Fortsätze auf Axonen und Dendriten. Ähnliche Fortsätze können auch durch Überexpression von Transmembran-Agrin in verschiedenen nicht-neuronalen Zelllinien induziert werden. Untersuchungen zu dieser Fortsatz-induzierenden Aktivität in Neuronen und nicht-neuronalen Zellen zeigen, dass der extrazelluläre Teil von Transmembran-Agrin für die Fortsatzbildung notwendig ist. In dieser Arbeit wurde mittels verschiedener Deletions- und Mutationskonstrukte der Bereich zwischen den Cysteinen C535 und C567 der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne von Transmembran-Agrin als essentiell für die Bildung der filopodienartigen Fortsätze identifiziert. Die siebte Follistatin-ähnliche Domäne konnte durch die erste oder sechste, jedoch nicht durch die achte Follistatin-ähnliche Domäne funktionell ersetzt werden, was für eine funktionelle Redundanz bei einigen Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins spricht. Zudem scheint eine kritische Distanz der siebten Follistatin-ähnlichen Domäne zur Plasmamembran für die Fortsatzbildung wichtig zu sein. Diese Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Regionen innerhalb Agrins für die Bildung der Synapse an der neuromuskulären Endplatte und der Fortsätze im Zentralnervensystem verantwortlich sind, und deuten auf eine Funktion der Follistatin-ähnlichen Domänen Agrins bei der Entwicklung des Zentralnervensystems hin.

Phasenverhalten, Kristallisation und Morphologie ladungsstabilisierter kolloidaler Mischungen

Die vorliegende Arbeit möchte die Anwendbarkeit ladungsstabilisierter kolloidaler Systeme als Modellsysteme für fundamentale Fragen der Festkörperphysik und Thermodynamik auf binäre Mischungen erweitern. In diesem Kontext untersucht sie das Phasenverhalten und mit ihm im Zusammenhang stehende Eigenschaften von binären Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer kolloidaler Partikel in wässriger Suspension. Da das Verhalten hartkugelähnlicher Systeme durch hohe Fremdionenkonzentrationen bereits gut bekannt ist, konzentriert sich diese Arbeit auf sehr langreichweitig repulsive Systeme unter deionisierten Bedingungen. Neben etablierten Methoden der Mikroskopie und statischer Lichtstreuung zur Phasendiagrammsbestimmung wird auch die Beobachtung der zeitabhängigen Entwicklung des Schermoduls verwendet, um eine langsame Erstarrungskinetik zu studieren. Es werden insbesondere Mischungen aus Komponenten unterschiedlicher Größe und Ladung der Größenverhältnisse 0,9, 0,82, 0,57, 0,39 und 0,37 untersucht. Diese zeigen in dieser Reihenfolge Phasendiagramme mit spindelförmigem fluid/kristallinen Koexistenzbereich wie auch azeotrope und eutektische Phasendiagramme. Die Strukturuntersuchungen aus der statischen Lichtstreuung stehen in praktisch allen Fällen im Einklang mit ungeordneten bcc- Substitutionskristallen, was über Modelle zu Schermodulmessungen bestätigt wird. Für das spindelförmige System wird ein überraschend weiter Koexistenzbereich beobachtet, wie er nicht von der Theorie erwartet wird. Die Lage, aber nicht die Form des Solidus stimmt quantitativ mit Simulationsvorhersagen zu einkomponentigen Systemen überein. Für das eutektische System bei einem Radienverhältnis von 0,57 wird der Einfluss der Schwerkraft auf das Phasenverhalten und die Erstarrungskinetik untersucht. Die der Kristallisation der kleineren Majoritätskomponente vorgelagerte gravitativ unterstützte Entmischung begünstigt hier die Verfestigung. Beobachtet werden Morphologien, die aus anderen Systemen bekannt sind (Facetten, Dendriten), wie auch erstmals eine kollumnare eutektische Morphologie. Aus den Ergebnissen wird der erste umfassende Überblick über das Phasenverhalten deionisierter Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer Partikel erstellt, die eine Diskussion der Daten anderer Autoren und unserer Gruppe über fluid-fluider Phasenseparation und einem System mit oberem azeotropen Punkt mit einschließt. Die meisten metallspezifischen Phasendiagrammtypen können mit ladungsstabilisierten kolloidalen Partikeln reproduziert werden. Die langreichweitig wechselwirkenden Partikel zeigt eine wesentlich verbesserte substitutionelle Mischbarkeit im Vergleich mit Hartkugel- und Metallsystemen. Das Größenverhältnis der sphärischen Partikel nimmt dabei die bestimmende Rolle für den Phasendiagrammtyp ein.

Etablierung eines Triple-Kultur-Modells der oberen Atemwege unter Einbeziehung immunkompetenter Zellen

Organophosphate können chronische Lungenerkrankungen und Vergiftungen hervorrufen. Bei der Vergiftung erfolgt eine Immunreaktion, welche noch nicht erforscht ist. In dieser Arbeit wurden Toxizitätsstudien an dendritischen Zellen und einem bronchialen Triple-Kultur-Modell durchgeführt. Dendritische Zellen spielen bei der ersten Immunabwehr in der Lunge eine große Rolle. Aus der Zell-Linie THP-1 und primären Monozyten wurden reife dendritische Zellen differenziert und mittels Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenz auf spezifische Zellmarker, wie zum Beispiel CD11c, CD83 oder auch CD209, charakterisiert und etabliert. Durch die Vergiftung der Zellen mit Dimethoat und Chlorpyrifos konnte eine Erhöhung des Zelltodes, die Sekretion von proinflammatorischen Mediatoren, Veränderungen in der Morphologie der Zellen und ein Effekt auf den Proteinkinase-Signalweg festgestellt werden. Spezifische dendritische Zellmarker (CD83, CD209) wurden inhibiert und die Dendriten der Dendritischen Zellen kürzer und beschädigt. Die Schädigung von Chlorpyrifos war erheblich größer, als die bei Dimethoat.rnDie weiteren Toxizitätsstudien wurden an einem bronchialen Triple-Kultur-Modell durchgeführt. Hierzu wurden auf Transwell-Filtermembranen bronchiale Epithelzellen, Fibroblastenzellen und Dendritische Zellen verwendet. Die bronchialen Epithelzellen und Fibroblastenzellen waren hier physiologisch voneinander getrennt, konnten aber durch Poren in der Membran miteinander interagieren. Die Etablierung des Triple-Kultur-Modells erfolgte durch die Untersuchung von Entzündungsprozessen, durch Stimulation mit LPS, TNF-alpha und Interferon-gamma. In der Ko-Kultur konnten Zell-Zell-Kontakt Schädigungen und Erhöhung von proinflammatorischen Markern, wie zum Beispiel IL-1ß, IL-6 oder auch IL-8 gemessen werden. Versuche in der Triple-Kultur zeigten den positiven Effekt von Dendritischen Zellen. Bei höheren Konzentrationsbereichen von Dimethoat und Chlorpyrifos konnte ein Wandern der Zellen zu den geschädigten Zell-Zell-Kontakten nachgewiesen werden. Die Ausschüttung der proinflammatorischen Mediatoren wurde inhibiert, vor allem bei IL-10 war eine deutliche Reduktion, um mehr als 70% messbar. Ebenso konnten Veränderungen in dem Apoptose-Signalblick festgestellt werden. Vor allem anti-apoptotische Proteine wurden nach einer Vergiftung der Triple-Kultur induziert. Interventionsstudien mit Vitamin C zeigten allerdings keinen positiven Effekt.