A Syd-1 homologue regulates pre- and postsynaptic maturation in Drosophila

A proteomics approach identifies Drosophila Syd-1 as a Bruchpilot binding partner that controls maturation on both sides of the neuromuscular junction

Maturation of active zone assembly by Drosophila Bruchpilot

Synaptic vesicles fuse at active zone (AZ) membranes where Ca2+ channels are clustered and that are typically decorated by electron-dense projections. Recently, mutants of the Drosophila melanogaster ERC/CAST family protein Bruchpilot (BRP) were shown to lack dense projections (T-bars) and to suffer from Ca2+ channel–clustering defects. In this study, we used high resolution light microscopy, electron microscopy, and intravital imaging to analyze the function of BRP in AZ assembly. Consistent with truncated BRP variants forming shortened T-bars, we identify BRP as a direct T-bar component at the AZ center with its N terminus closer to the AZ membrane than its C terminus. In contrast, Drosophila Liprin-α, another AZ-organizing protein, precedes BRP during the assembly of newly forming AZs by several hours and surrounds the AZ center in few discrete punctae. BRP seems responsible for effectively clustering Ca2+ channels beneath the T-bar density late in a protracted AZ formation process, potentially through a direct molecular interaction with intracellular Ca2+ channel domains

Analyse des synaptischen Aufbaus der Drosophila melanogaster

The majority of rapid cell-to-cell communication mechanisms and information processing within the nervous system makes use of chemical synapses. Fast neurotransmission on these sites not only requires very close apposition of pre- and postsynaptic partners, but also depends on an effective structural arrangement of cellular components on both sides of the synaptic cleft. Synaptic vesicles fuse at active zones (AZs), characterized by an electron-dense protein mesh of insufficiently characterized composition and function. EM analysis of synapses identified electron dense structures thought (but not proven) to play an important role for vesicle release efficacy. The molecular organization of presynaptic AZs during Ca2+ influx–triggered neurotransmitter release is currently a focus of intense investigation. Due to its appearance in electron micrographs, dense bodies at Drosophila synapses were named T-bars. Together with the lab of Erich Buchner, we recently showed that Bruchpilot (BRP) of the Drosophila melanogaster, homologous to the mammalian CAST/ERC family in its N-terminal half, is essential for the T-bar assembly at AZs and efficient neurotransmitter release respectively. The question, in which way BRP contributes to functional and structural organization of the AZ, was a major focus of this thesis. First, stimulated emission depletion microscopy (STED), featuring significantly increased optical resolution, was used to achieve first insights into ‘cytoarchitecture’ of the AZ compartment. In addition, in vivo live imaging experiments following identified populations of synapses over extended periods were preformed to address the trafficking of protein at forming synapses and thereby providing a temporal sequence for the AZ assembly process. Apart from BRP, two additional AZ proteins, DLiprin-α and DSyd-1, were included into the analysis, which were both shown to contribute to efficient AZ assembly. Drosophila Syd-1 (DSyd-1) and Drosophila Liprin-α (DLiprin-α) clusters initiated AZ assembly, finally forming discrete ‘quanta’ at the AZ edge. ELKS-related Bruchpilot, in contrast, accumulated late from diffuse pools in the AZ center, where it contributed to the electron dense specialization by adopting an extended conformation vertical to the AZ membrane. We show that DSyd-1 and DLiprin-α are important for efficient AZ formation. The results of this thesis describe AZ assembly as a sequential protracted process, with matured AZs characterized by sub-compartments and likely quantal building blocks. This step-wise, in parts reversible path leading to mature AZ structure and function offers new control possibilities in the development and plasticity of synaptic circuits.Durch Ca2+ abhängige Neurotransmitterfreisetzung vermitteln chemische Synapsen die schnelle Informationsübertragung zwischen Nervenzellen. Vorausetzung hierfür sind gewisse zelluläre Eigenschaften, wie eine enge Korrelation zwischen der Prä- und Postsynapse und eine hoch spezialisierte Zusammensetzung von Proteinen. Synaptische Vesikel fusionieren mit der präsynaptischen aktiven Zone (AZ), welche sich aus einem dichten Netzwerk an vielfach noch unerforschter synaptischer Proteine zusammensetzt, das im Transmissionselektronenmikroskop elektronendicht erscheint. Des Weiteren sind ultrastrukturell elektronendichte präsynaptische Spezialisierungen erkennbar (dense bodies), die vermutlich (aber nicht nachweislich) bei der Freisetzung synaptischer Vesikel eine tragende Rolle spielen. Der molekulare Aufbau der AZ ist zurzeit ein weitverbreitetes Studienthema. Die Synapsen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster sind präsynaptisch gekennzeichnet durch eine elektronendichte Struktur, welche aufgrund ihrer charakteristischen Form auch als „T-bar“ bezeichnet wird. Durch die Kooperation mit dem Labor von Erich Buchner gelang es uns, das synaptische Protein Bruchpilot (BRP) zu identifizieren. BRP weist im N-terminalen Bereich Homologien zu der in Säuger gefundenen CAST/ERC Proteinfamilie auf, und ist essenziell für die Ausbildung der elektronendichten T-bars an den AZs und für eine effiziente Ausschüttung von Neurotransmitter. In wie weit BRP für die funktionelle und strukturelle Organisation der AZ verantwortlich ist, sollte in der vorliegenden Arbeit erläutert werden. Durch die neu entdeckte „stimulated emission depletion“ Mikroskopie (STED), ist es nun möglich, dank der erhöhten optischen Auflösung, neue Einsichten in die Architektur der AZ zu erlangen. Zusätzlich wurden mit Hilfe von in vivo Experimenten an lebenden Tieren Populationen von Synapsen über längere Zeiträume verfolgt, um so die Synapsenentstehung und den Proteintransport zu untersuchen. Auf diesem Weg sollte eine Abfolge der an der AZ Assemblierung beteiligten Proteine erstellt werden. Neben BRP wurden daher noch zwei weitere AZ Proteine berücksichtigt (DLiprin-α und DSyd-1), welche ebenfalls bei der Bildung neuer synaptischer Kontakten mitwirken. Es konnte gezeigt werden, dass Proteincluster aus Drosophila Syd-1 (DSyd-1) und Drosophila Liprin-α (DLiprin-α) sehr früh während der Bildung neuer synaptischer Kontakte erscheinen und hierbei diskrete ‚Quanta‘ ausbilden, welche sich am Rand der AZ anlagerten. BRP hingegen erreichte die AZ zu einem späteren Zeitpunkt, wahrscheinlich aus diffusen Reservoirs und akkumulierte schließlich im Zentrum der AZ. Mit Hilfe der STED und konfokalen Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass sich BRP in einer getreckten, vertikal zur Membran stehenden Orientierung in die elektronendichte Stuktur, den T-bar, einfügt. Zudem sind DSyd-1 und DLiprin-α für eine effiziente Entstehung neuer AZs erforderlich. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse deuten auf ein länger andauerden sequenziellen Assemblierungsprozess der AZ hin, in dem aus quantalen Baueinheiten Subkompartimente an ausgereiften AZs gebildet werden. Dieser gestaffelte, teils reversible Reifungsablauf der AZ eröffnet neue Möglichkeiten zur Kontrolle der Entwicklung und Plastizität neuronaler Netzwerke durch einen noch nicht beschriebenen Mechanismus

Members of the Promotionskomitee:

Analysis of synapse assembly in Drosophila melanogaste

Rapid activity-dependent modifications in synaptic structure and function require bidirectional Wnt signaling

Activity-dependent modifications in synapse structure play a key role in synaptic development and plasticity, but the signaling mechanisms involved are poorly understood. We demonstrate that glutamatergic Drosophila neuromuscular junctions undergo rapid changes in synaptic structure and function in response to patterned stimulation. These changes, which depend on transcription and translation, include formation of motile presynaptic filopodia, elaboration of undifferentiated varicosities, and potentiation of spontaneous release frequency. Experiments indicate that a bidirectional Wnt/Wg signaling pathway underlies these changes. Evoked activity induces Wnt1/Wg release from synaptic boutons, which stimulates both a postsynaptic DFz2 nuclear import pathway as well as a presynaptic pathway involving GSK-3beta/Shaggy. Our findings suggest that bidirectional Wg signaling operates downstream of synaptic activity to induce modifications in synaptic structure and function. We propose that activation of the postsynaptic Wg pathway is required for the assembly of the postsynaptic apparatus, while activation of the presynaptic Wg pathway regulates cytoskeletal dynamics

Cooperation of Syd-1 with Neurexin synchronizes pre- with postsynaptic assembly

Synapse formation and maturation requires bidirectional communication across the synaptic cleft. The trans-synaptic Neurexin-Neuroligin complex can bridge this cleft, and severe synapse assembly deficits are found in Drosophila melanogaster neuroligin (Nlg1, dnlg1) and neurexin (Nrx-1, dnrx) mutants. We show that the presynaptic active zone protein Syd-1 interacts with Nrx-1 to control synapse formation at the Drosophila neuromuscular junction. Mutants in Syd-1 (RhoGAP100F, dsyd-1), Nrx-1 and Nlg1 shared active zone cytomatrix defects, which were nonadditive. Syd-1 and Nrx-1 formed a complex in vivo, and Syd-1 was important for synaptic clustering and immobilization of Nrx-1. Consequently, postsynaptic clustering of Nlg1 was affected in Syd-1 mutants, and in vivo glutamate receptor incorporation was changed in Syd-1, Nrx-1 and Nlg1 mutants. Stabilization of nascent Syd-1-Liprin-α (DLiprin-α) clusters, important to initialize active zone formation, was Nlg1 dependent. Thus, cooperation between Syd-1 and Nrx-1-Nlg1 seems to orchestrate early assembly processes between pre- and postsynaptic membranes, promoting avidity of newly forming synaptic scaffolds.status: publishe

Memoria definitiva del proyecto de instalaciones eléctricas para los servicios de escenario en el Gran Teatro del Liceo de Barcelona

Inclou la memòria del projecte i dos plànol