Zwei bilaterale französisch-österreichische Forschungsprojekte starten am IST Austria

Zwei vom Wissenschaftsfonds FWF und der Agence Nationale de la Recherche ANR geförderte gemeinsame Projekte von Labors am Institute of Science and Technology Austria und an französischen Forschungsinstituten starten. Das Labor von Carl-Philipp Heisenberg am IST Austria wird zusammen mit dem Labor von Alex MacDougall am Centre national de la recherche scientifique (CNRS) untersuchen, wie Polarität, Form und Mechanik der Zellen die Zellteilung steuern. Johann Danzl vom IST Austria arbeitet mit dem Labor von Olivier Thoumine am Interdisciplinary Institute for Neuroscience in Bourdeaux zusammen, um zu untersuchen, welche Rolle synaptische Adhäsionsmoleküle in der Funktion von Synapsen spielen, indem sie optisch kontrollierte Moleküle und hochauflösende optische Bildgebung verwenden. Die bilateralen französisch-österreichischen Joint Research Projects werden für drei Jahre mit jeweils rund 250.000 Euro gefördert.

Welche Regeln gelten für die Zellteilung?

Ascidien, oder Seescheiden, sind eng mit Wirbeltieren verwandt, sehen aber eher unscheinbar aus. Ihr Name leitet sich vom griechischen Wort für „kleine Tasche“ ab, und tatsächlich ähneln die 1 mm bis 10 cm langen Meerestiere seltsamen Klumpen. Während sie als Erwachsene unscheinbar aussehen, haben die Embryonen eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie bestehen nur aus einer kleinen Anzahl von Zellen, und Positionierung und Zeitpunkt der Zellteilung sind zwischen verschiedenen Individuen der gleichen Art – und sogar zwischen den Arten – identisch. Doch welche Regeln gelten für diesen so genannten „unveränderlichen Furchungstyp“?  In dem gemeinsamen Projekt werden die Labore von Heisenberg und MacDougall diese Frage an der Seescheide Phallusia mammillata untersuchen.

Es ist bekannt, dass mütterliche Faktoren und genregulatorische Netzwerke die Zellteilung und Zellposition im Embryo von Ascidien beeinflussen. Die Zellen im Embryo existieren jedoch nicht isoliert, sondern drücken gegeneinander. Signale können sich zwischen den Zellen durch Adhäsion ausbreiten, welche mechanische Kräfte zwischen den Zellen überträgt. Aber wie beeinflussen diese physikalischen Kräfte das Spaltmuster und die Zellposition? Die Gruppen von Heisenberg und MacDougall werden ihre Kompetenzen bündeln, um diese Frage zu beantworten.

MacDougall und seine Gruppe haben zuvor gezeigt, dass das Zellteilungsmuster der Ascidien von der Positionierung der sogenannten Spindel entlang der Zellachse abhängt. Die Spindel ist die Struktur innerhalb einer teilenden Zelle, die Kopien des genetischen Materials der Zelle zwischen den neuen Zellen verteilt. Ihre Position entlang der sogenannten apikobasalen Zellachse beeinflusst die Position der Teilung. In dem neuen Projekt werden die Labore molekulare, zelluläre und biophysikalische Experimente kombinieren, um zu untersuchen, wie die apikobasale Zellpolarisation mit der Zellform interagiert, um die Zellteilung zu orientieren und dem Embryo Form zu geben. Dieses Projekt kombiniert die Expertise des Ascidien-Labors unter der Leitung von MacDougall mit der Expertise des Heisenberg-Labors bei der Messung der mechanischen Eigenschaften von Zellen, um das komplexe Zusammenspiel von apikobasaler Polarität und Zellform zu entschlüsseln.

Welche Rolle spielen Adhäsionsmoleküle für synaptische Verbindungen?

Signale in unserem Gehirn werden über ihre Verbindungen, die Synapsen, von einem Neuron zum anderen gesendet. Die Nachricht selbst wird durch Chemikalien, sogenannte Neurotransmitter, gesendet, die vom präsynaptischen Neuron freigesetzt und über Rezeptoren auf dem postsynaptischen Neuron erfasst werden. Aber die prä- und postsynaptischen Neuronen sind durch so genannte Adhäsionsmoleküle auch strukturell verbunden. Diese neuronalen Adhäsionsmoleküle, wie Neurexine auf dem präsynaptischen Neuron und Neuroligine auf dem postsynaptischen Neuron, spielen eine wichtige Rolle bei der Verschaltung, Modellierung und Aufrechterhaltung synaptischer Verbindungen. Doch wie steuern synaptische Adhäsionsmoleküle die Bildung von Synapsen? Johann Danzl vom IST Austria und Olivier Thoumine untersuchen diese Frage, indem sie die Adhäsionsmoleküle mit Licht kontrollieren. Das verhilft zu einem besseren Verständnis der synaptischen Entwicklung und Funktion.

Danzl und Thoumine werden in dem Projekt optogenetisch gesteuerte synaptische Adhäsionsmoleküle verwenden, die zu genau definierten Zeitpunkten mit Licht ein- und ausgeschaltet werden können. Auf diese Weise können die Forscher die Bildung von Synapsen in lebenden Neuronen verfolgen, indem Adhäsionsmoleküle vom Aus- in den Ein-Zustand geschaltet werden. Das Thoumine Labor ist spezialisiert auf neuronale Adhäsionsproteine, mit Expertise in Einzelmolekül-Imaging, Berechnung und Elektrophysiologie, um Adhäsionsmoleküle und ihre Dynamik auf Einzelmolekülebene zu untersuchen. Das Labor von Johann Danzl am IST Austria verfügt über Expertise in der Bildgebung mittels hochauflösender Nanoskopie, die eine wesentlich höhere Auflösung als die konventionelle Lichtmikroskopie hat, und der optischen Kontrolle von photoschaltbaren Molekülen. So können sie die feinen Strukturmerkmale neuronaler Zellen und Synapsen abbilden. Durch die Zusammenführung der Expertise dieser Labore werden die Wissenschaftler in die Lage versetzt, Adhäsionsprotein-Clustering und -Funktion in Synapsen dynamisch und quantitativ zu beschreiben und zu regulieren.