Noa Lipstein

Die Forschungsgruppe „Biologie der Synapsen“ erforscht den Einfluss von synaptischen Proteinen auf die neuronale Funktion und Plastizität sowie die Entschlüsselung synaptischer Krankheitsmechanismen bei Erkrankungen des Gehirns. Wir kombinieren genetische Manipulationen in Mausmodellen mit elektrophysiologischen und zelltypspezifischen, biochemischen Analysen zur Untersuchung der molekularen Zusammensetzung und Organisation der Synapsen, um schließlich zu verstehen, wie diese die synaptische Funktion und Dysfunktion beeinflussen.

Forschung

Synapsen vermitteln den Informationstransfer im zentralen Nervensystem. Sie weisen eine bemerkenswerte Diversität und Plastizität auf, die über ihre Lebensdauer, der Verhaltensbiologie, sowie während Erkrankungen bestehen bleibt. Synaptische Diversität und Plastizität tragen wesentlich zur Verarbeitung komplexer Informationen innerhalb neuronaler Netzwerke bei und sind daher unentbehrlich für alle Funktionen des Gehirns. Defekte der synaptischen Funktion hingegen können ein Ungleichgewicht im neuronalen Netzwerk verursachen und wurden als Hauptursache verschiedener Erkrankungen des Gehirns identifiziert, einschließlich Entwicklungsstörungen (z.B. Autismus-Spektrum-Störung) neuro-psychiatischer Erkrankungen (z.B Schizophrenie) und neurodegenerative Konditionen (z.B. Alzheimer-Krankheit).

Angesichts der wandelbaren Eigenschaften von Synapsen, bleibt es eine große Herausforderung, zu verstehen, wie die Funktion von Synapsen durch ihre molekulare Komposition determiniert wird. Unsere Forschung fokusiert sich auf das Verständnis von molekularen und zellbiologischen Prozessen, die die Funktion von Synapsen im gesunden sowohl als auch pathologischen Zustand prägen. Besonders interessiert uns, wie die funktionelle synaptische Diversität mit dem molekularen Aufbau von Synapsen zusammenhängt, und wie sie an der Ausprägung von Krankheiten des Gehirns beteiligt ist.

Wir verwenden einzigartige Gentechniken (Maus Modelle), elektrophysiologische und bildgebende Verfahren, als auch proteomische Methoden, um die molekular-funktionelle Beziehung von Synapsen zu untersuchen. Unsere Forschung konzentriert sich auf drei Schlüsselaspekte, die die Funktion von Synapsen definieren: Diversität, Plastizität und Dysfunktion.

Synaptische Diversität

Die komplexe und dynamische Natur des Nervensystems erfordert eine außergewöhnliche zelluläre Spezialisation. Im Vergleich zu anderen Organen weist das Gehirn weißt einen besonders hohen Grad an zellulärer Diversität auf. Einen großen Anteil dieser Diversität findet man in den Synapsen – Das menschliche Gehirn enthält schätzungsweise 1015 verschiedene Synapsen-Klassen, die sich in ihrer Morphologie, ihren elektrophysiologischen Eigenschaften und vor allem, in ihrer funktionellen Leistung grundlegend unterscheiden.

Doch was genau definiert die synaptische Identität? Wir verfolgen die Hypothese, dass die synaptische Identität durch eine einzigartige Kombination an Proteinen definiert werden kann, die räumlich höchstgenau nach transkriptionalen und translationalen Bauplänen an der Präsynapse organisiert sind.

Information über den Aufbau und der Organisation des synaptischen Proteoms wird die Entdeckung neuer Mechanismen der Neurotransmission, sowie der Entstehung von neuronalen Krankheiten vorantreiben. Darüberhinaus wird sie wesentlich dazu beitragen, synaptische Funktionalitäten zu vorauszusagen, die experimentell nicht zugänglich sind.

Synaptische Plastizität

Synapsen sind plastisch – ihre Stärke variiert in verschiedenen Zelltypen, und passt sich den dynamischen Veränderungen ihrer Stimulation an. Synaptische Plastizität wird ausgelöst, beispielsweise, durch Phasen erhöhter oder reduzierter neuronaler Aktivität, als Reaktion auf bestimmte Stimuli, oder während des Tierherhaltens. Plastizität ermöglichst es, erlebte Erfahrungen kurz- oder langfristig zu speichern, und kann synaptische Funktionen innerhalb von Millisekunden, Tagen, oder sogar Jahren verändern. Viele lebenswichtigen Prozesse - von der Verarbeitung sensorischer Informationen, bis zur Kontrolle über kognitive Aufgaben (Lernen und Gedächnis) – werden durch Plastizität reguliert.

Unsere Arbeitsgruppe studiert präsynaptische Mechanismen der Plastizität. In unserer vorherigen Forschung charakterisierten wir die Signalgebung mittels Ca2+/calmodulin (Lipstein et al., Neuron 2013) und Ca2+-phospholipide (Lipstein et al., Neuron 2021) als Hauptsignalweg zur Kontrolle der Aktiven Zone und Verstärkung der Synapse während Phasen starker neuronaler Stimulation. Fortlaufende Studien konzentrieren sich auf das Verständnis darüber, wie die synaptische Plastizität in Fällen von angeborenen Erkrankungen verändert ist (siehe unten), und wie sich Plastizität in unterschiedlichen Synapsen-Typen manifestiert. Wir untersuchen das synaptische Proteom, wenden elektrophysiologische Methoden auf Gehirnschnitte, sowie strukturelle Methoden an, um die Veränderungen zu charakterisieren, die der kurz- und langfristigen Plastizität unterliegen.

Störungen an der Sekretionsstelle synaptischer Vesikel

Durch neue DNA-Sequenzierungs Methoden konnten hunderte verschiedene Variationen synaptischer Gene identifizieren werden, die mit einem breiten Spektrum von Hirnerkrankungen im Zusammenhang stehen. Diese überwältigende Anzahl krankheitsbezogener Variationen stellt uns vor mehrere Herausforderungen: Sind alle Variationen pathogen? Wie beeinflussen sie die Funktion der Synapsen? Ist jeder Effekt einzigartig? Oder können konvergierende Prozesse identifiziert werden?

Im Fokus unserer Forschung stehen Störungen des präsynaptischen Terminals. Unser Ziel ist es, herauszufinden, wie pathogene Gen-Variationen die Funktion von Synapsen beeinflussen. Durch die Aufdeckung dieser Mechanismen können Strategien für eine schnelle Diagnose der Varianten-Pathogenität entwickelt werden. Wir sind davon überzeugt, dass der Wissensaustausch zwischen Klinikern*innen, Genetikern*innen und Labor Wissenschaftler*innen für das Erreichen dieser Ziele unverzichtbar ist.

Unser Hauptaugenmerk liegt auf einer Erkrankung des Gehirns, die mit der genetischen Variation des zentralen synaptischen Proteins UNC13A (auch bekannt als Munc13-1) assoziiert ist. UNC13A ist ein wichtiger Bestandteil des präsynaptischen Terminals und ist zuständig für die molekulare Reifung von Vesikeln, ein Prozess, der als 'Priming' bezeichnet wird. Priming ist erforderlich, um mit Neurotransmittern-beladene Vesikel auf das zeit-genaue Verschmelzen mit der Plasmamembran vorzubereiten. Dadurch werden Neurotransmitter auf das empfangende Neuron ausgeschüttet, und somit das Signal des sendenden Neurons zellübergreifend weitergeleitet. Eine Fehlfunktion von UNC13A führt zwangsläufig zu einem Ungleichgewicht in der Signalübertragung des neuronalen Netzwerks. Genetische Variationen in UNC13A in Patienten wurden erst vor kurzem identifiziert. Folglich ist nur wenig über das klinische und genetische Spektrum dieser Erkrankung, sowie über die ihr zugrunde liegenden zellbiologischen und molekularen Mechanismen bekannt.

Wir glauben, dass die Charakterisierung dieser Mechanismen zur Entwicklung von therapeutischen Ansätzen und zur Linderung der begleitenden Symptome beitragen wird. Um zu beurteilen, wie die Eigenschaften der synaptischen Signalweiterleitung durch Krankheits-assoziierte Proteinvariationen moduliert werden, führen wir elektrophysiologische Ganzzell-Spannungsklemmen-Aufzeichnungen an einzelnen, autaptischen Neuronen in Zellkultur durch (Lipstein et al., JCI 2017).

Dieses experimentelle Modell ermöglicht eine ausgezeichnete und gründliche Aufzeichnung zellautonomer Prozesse. Um ein besseres Verständnis darüber zu gewinnen, wie die molekulare Zusammensetzung der erkrankten Synapsen mit ihrer Funktion in Verbindung stehen, ergänzen wir unsere funktionellen Studien mit konfokalen und superauflösenden bildgebenden Verfahren, sowie mit massenspektrometrischen Ansätzen.

Mehr über die Erkrankung und die ihr zugrunde liegenden molekularen Mechanismen finden Sie unter www.jci.org/articles/view/90259

Forschung

Synapsen vermitteln den Informationstransfer im zentralen Nervensystem. Sie weisen eine bemerkenswerte Diversität und Plastizität auf, die über ihre Lebensdauer, der Verhaltensbiologie, sowie während Erkrankungen bestehen bleibt. Synaptische Diversität und Plastizität tragen wesentlich zur Verarbeitung komplexer Informationen innerhalb neuronaler Netzwerke bei und sind daher unentbehrlich für alle Funktionen des Gehirns. Defekte der synaptischen Funktion hingegen können ein Ungleichgewicht im neuronalen Netzwerk verursachen und wurden als Hauptursache verschiedener Erkrankungen des Gehirns identifiziert, einschließlich Entwicklungsstörungen (z.B. Autismus-Spektrum-Störung) neuro-psychiatischer Erkrankungen (z.B Schizophrenie) und neurodegenerative Konditionen (z.B. Alzheimer-Krankheit).

Angesichts der wandelbaren Eigenschaften von Synapsen, bleibt es eine große Herausforderung, zu verstehen, wie die Funktion von Synapsen durch ihre molekulare Komposition determiniert wird. Unsere Forschung fokusiert sich auf das Verständnis von molekularen und zellbiologischen Prozessen, die die Funktion von Synapsen im gesunden sowohl als auch pathologischen Zustand prägen. Besonders interessiert uns, wie die funktionelle synaptische Diversität mit dem molekularen Aufbau von Synapsen zusammenhängt, und wie sie an der Ausprägung von Krankheiten des Gehirns beteiligt ist.

Wir verwenden einzigartige Gentechniken (Maus Modelle), elektrophysiologische und bildgebende Verfahren, als auch proteomische Methoden, um die molekular-funktionelle Beziehung von Synapsen zu untersuchen. Unsere Forschung konzentriert sich auf drei Schlüsselaspekte, die die Funktion von Synapsen definieren: Diversität, Plastizität und Dysfunktion.

Synaptische Diversität

Die komplexe und dynamische Natur des Nervensystems erfordert eine außergewöhnliche zelluläre Spezialisation. Im Vergleich zu anderen Organen weist das Gehirn weißt einen besonders hohen Grad an zellulärer Diversität auf. Einen großen Anteil dieser Diversität findet man in den Synapsen – Das menschliche Gehirn enthält schätzungsweise 1015 verschiedene Synapsen-Klassen, die sich in ihrer Morphologie, ihren elektrophysiologischen Eigenschaften und vor allem, in ihrer funktionellen Leistung grundlegend unterscheiden.

Doch was genau definiert die synaptische Identität? Wir verfolgen die Hypothese, dass die synaptische Identität durch eine einzigartige Kombination an Proteinen definiert werden kann, die räumlich höchstgenau nach transkriptionalen und translationalen Bauplänen an der Präsynapse organisiert sind.

Information über den Aufbau und der Organisation des synaptischen Proteoms wird die Entdeckung neuer Mechanismen der Neurotransmission, sowie der Entstehung von neuronalen Krankheiten vorantreiben. Darüberhinaus wird sie wesentlich dazu beitragen, synaptische Funktionalitäten zu vorauszusagen, die experimentell nicht zugänglich sind.

Synaptische Plastizität

Synapsen sind plastisch – ihre Stärke variiert in verschiedenen Zelltypen, und passt sich den dynamischen Veränderungen ihrer Stimulation an. Synaptische Plastizität wird ausgelöst, beispielsweise, durch Phasen erhöhter oder reduzierter neuronaler Aktivität, als Reaktion auf bestimmte Stimuli, oder während des Tierherhaltens. Plastizität ermöglichst es, erlebte Erfahrungen kurz- oder langfristig zu speichern, und kann synaptische Funktionen innerhalb von Millisekunden, Tagen, oder sogar Jahren verändern. Viele lebenswichtigen Prozesse - von der Verarbeitung sensorischer Informationen, bis zur Kontrolle über kognitive Aufgaben (Lernen und Gedächnis) – werden durch Plastizität reguliert.

Unsere Arbeitsgruppe studiert präsynaptische Mechanismen der Plastizität. In unserer vorherigen Forschung charakterisierten wir die Signalgebung mittels Ca2+/calmodulin (Lipstein et al., Neuron 2013) und Ca2+-phospholipide (Lipstein et al., Neuron 2021) als Hauptsignalweg zur Kontrolle der Aktiven Zone und Verstärkung der Synapse während Phasen starker neuronaler Stimulation. Fortlaufende Studien konzentrieren sich auf das Verständnis darüber, wie die synaptische Plastizität in Fällen von angeborenen Erkrankungen verändert ist (siehe unten), und wie sich Plastizität in unterschiedlichen Synapsen-Typen manifestiert. Wir untersuchen das synaptische Proteom, wenden elektrophysiologische Methoden auf Gehirnschnitte, sowie strukturelle Methoden an, um die Veränderungen zu charakterisieren, die der kurz- und langfristigen Plastizität unterliegen.

Störungen an der Sekretionsstelle synaptischer Vesikel

Durch neue DNA-Sequenzierungs Methoden konnten hunderte verschiedene Variationen synaptischer Gene identifizieren werden, die mit einem breiten Spektrum von Hirnerkrankungen im Zusammenhang stehen. Diese überwältigende Anzahl krankheitsbezogener Variationen stellt uns vor mehrere Herausforderungen: Sind alle Variationen pathogen? Wie beeinflussen sie die Funktion der Synapsen? Ist jeder Effekt einzigartig? Oder können konvergierende Prozesse identifiziert werden?

Im Fokus unserer Forschung stehen Störungen des präsynaptischen Terminals. Unser Ziel ist es, herauszufinden, wie pathogene Gen-Variationen die Funktion von Synapsen beeinflussen. Durch die Aufdeckung dieser Mechanismen können Strategien für eine schnelle Diagnose der Varianten-Pathogenität entwickelt werden. Wir sind davon überzeugt, dass der Wissensaustausch zwischen Klinikern*innen, Genetikern*innen und Labor Wissenschaftler*innen für das Erreichen dieser Ziele unverzichtbar ist.

Unser Hauptaugenmerk liegt auf einer Erkrankung des Gehirns, die mit der genetischen Variation des zentralen synaptischen Proteins UNC13A (auch bekannt als Munc13-1) assoziiert ist. UNC13A ist ein wichtiger Bestandteil des präsynaptischen Terminals und ist zuständig für die molekulare Reifung von Vesikeln, ein Prozess, der als 'Priming' bezeichnet wird. Priming ist erforderlich, um mit Neurotransmittern-beladene Vesikel auf das zeit-genaue Verschmelzen mit der Plasmamembran vorzubereiten. Dadurch werden Neurotransmitter auf das empfangende Neuron ausgeschüttet, und somit das Signal des sendenden Neurons zellübergreifend weitergeleitet. Eine Fehlfunktion von UNC13A führt zwangsläufig zu einem Ungleichgewicht in der Signalübertragung des neuronalen Netzwerks. Genetische Variationen in UNC13A in Patienten wurden erst vor kurzem identifiziert. Folglich ist nur wenig über das klinische und genetische Spektrum dieser Erkrankung, sowie über die ihr zugrunde liegenden zellbiologischen und molekularen Mechanismen bekannt.

Wir glauben, dass die Charakterisierung dieser Mechanismen zur Entwicklung von therapeutischen Ansätzen und zur Linderung der begleitenden Symptome beitragen wird. Um zu beurteilen, wie die Eigenschaften der synaptischen Signalweiterleitung durch Krankheits-assoziierte Proteinvariationen moduliert werden, führen wir elektrophysiologische Ganzzell-Spannungsklemmen-Aufzeichnungen an einzelnen, autaptischen Neuronen in Zellkultur durch (Lipstein et al., JCI 2017).

Dieses experimentelle Modell ermöglicht eine ausgezeichnete und gründliche Aufzeichnung zellautonomer Prozesse. Um ein besseres Verständnis darüber zu gewinnen, wie die molekulare Zusammensetzung der erkrankten Synapsen mit ihrer Funktion in Verbindung stehen, ergänzen wir unsere funktionellen Studien mit konfokalen und superauflösenden bildgebenden Verfahren, sowie mit massenspektrometrischen Ansätzen.

Mehr über die Erkrankung und die ihr zugrunde liegenden molekularen Mechanismen finden Sie unter www.jci.org/articles/view/90259