Effect of Nanoscale Active Zone Morphology on Synaptic Vesicle Release Probability
纳米级活性区形态对突触小泡释放概率的影响
基本信息
- 批准号:10251901
- 负责人:
- 金额:$ 4.6万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-09-01 至 2022-11-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AffectAgeBiological ModelsBuffersCalciumCalcium ChannelCellsCommunicationConfocal MicroscopyCouplingDataDrosophila genusElectrophysiology (science)EquipmentGene ExpressionGenesGeneticGenetic TranscriptionGlutamatesHeterogeneityImageIndividualInstitutesKnock-outKnowledgeLearningMassachusettsMembraneMemoryMicroscopyMicrotubulesModelingMolecularMorphologyMotor NeuronsMuscleNeuromuscular JunctionNeuronsOpticsOutputPlayPositioning AttributeProbabilityProcessPropertyProteinsRNARegulationReportingResearchResolutionResource DevelopmentRoleShapesSignal TransductionSiteSourceStructural ProteinStructureSynapsesSynaptic VesiclesSynaptic plasticitySystemTechnologyTrainingVariantdifferential expressionexperimental studygenetic manipulationimaging approachinsightmembermuscle formmutantnanoscaleneurotransmitter releasenovelorganizational structurepostsynapticpresynapticprogramsquantumreceptorsensorsingle-cell RNA sequencingtoolvesicular releasevoltage
项目摘要
Regulation of the release probability (Pr) of single synaptic vesicles (SVs) from active zones (AZs) determines
the presynaptic contribution to synaptic strength. Dynamic regulation of synaptic strength is thought to underlie
learning and memory, so fundamental knowledge of the molecular mechanisms governing Pr is critical to
understanding these vital neuronal processes. The Drosophila neuromuscular junction (NMJ) is a widely-used
model synapse for studying Pr due to its accessibility and genetic toolkit. In this system, two glutamatergic motor
neuron classes (termed 1b and 1s) with distinct excitability and synaptic properties each form hundreds of AZs
onto individual body wall muscles. At each AZ, structural proteins position SVs near voltage-gated calcium
channels. Calcium influx is detected by calcium-sensing proteins on SV membranes, triggering SV release.
However, calcium is also quickly buffered once inside the cell, making the distance between SVs and calcium
channels extremely important for determining Pr. Recent studies have shown that Pr is heterogeneous across
AZs formed by 1b and 1s and can vary as much as 50-fold between neighboring AZs. However, the sources of
this heterogeneity have not been fully identified. Accumulating evidence suggests that structural AZ proteins play
a large role in regulating Pr by regulating position of SVs relative to calcium channels. Super-resolution stimulated
emission depletion (STED) imaging reveals that AZ structural proteins vary widely in their nanoscale morphology
across individual AZs, suggesting that heterogeneity in AZ morphology could explain heterogeneity in Pr across
AZs. Additionally, recent data indicates that average AZ morphology and Pr are significantly different between
AZs formed by 1b and 1s, suggesting that a difference in gene expression between these neurons is likely to
control cell-wide AZ morphology. Single-cell RNA sequencing indicates that Toll-6 is one of the most differentially
expressed genes between 1b and 1s neurons, and preliminary data indicates that it is capable of affecting AZ
morphology and electrophysiology making it a likely candidate underlying difference in AZ properties between
these neuronal classes. To determine how AZ morphology correlates with Pr across 1b and 1s neurons, a novel
genetically encoded fluorescent release sensor and STED microscopy will be used on Drosophila NMJs to
compare nanoscale AZ morphology and Pr at single AZs. An exogenous calcium buffer will be used to investigate
importance of morphology in determining nanodomain distance coupling between SVs and calcium channels.
To determine how Toll-6 affects cell-wide AZ morphology and Pr, Toll-6 expression levels in 1b and 1s neurons
will be individually genetically manipulated. This project will be carried out in the lab of Dr. Troy Littleton in the
Picower Institute for Learning and Memory (PILM) at the Massachusetts Institute of Technology (MIT). All
necessary equipment is available through Dr. Littleton’s lab and appropriate training for STED microscopy and
electrophysiology will be carried out by Dr. Littleton and senior lab members. MIT and PILM additionally provide
excellent scientific and professional development resources and opportunities.
调节活性区 (AZ) 中单个突触小泡 (SV) 的释放概率 (Pr) 决定
突触前对突触强度的贡献被认为是突触强度的动态调节的基础。
学习和记忆,因此控制 Pr 的分子机制的基础知识对于学习和记忆至关重要
了解这些重要的神经过程。果蝇神经肌肉接头(NMJ)是一种广泛使用的神经肌肉接头。
由于其可访问性和遗传工具包,用于研究 Pr 的模型突触在该系统中具有两个谷氨酸能运动。
具有不同兴奋性和突触特性的神经元类别(称为 1b 和 1s)各自形成数百个 AZ
在每个 AZ 处,结构蛋白将 SV 定位在电压门控钙附近。
SV 膜上的钙敏感蛋白检测到钙流入,从而触发 SV 释放。
然而,钙一旦进入细胞内也会很快被缓冲,使得 SV 和钙之间的距离
最近的研究表明,Pr 的不同渠道是异质的。
AZ 由 1b 和 1s 组成,相邻 AZ 之间的差异可能高达 50 倍。
这种异质性尚未得到充分证实,越来越多的证据表明结构 AZ 蛋白发挥着作用。
通过调节 SV 相对于钙通道的位置,在调节 Pr 中发挥重要作用。
发射损耗 (STED) 成像显示 AZ 结构蛋白的纳米级形态差异很大
跨各个 AZ,表明 AZ 形态的异质性可以解释 Pr 的异质性
此外,最近的数据表明平均 AZ 形态和 Pr 之间存在显着差异。
由 1b 和 1s 形成的 AZ,表明这些神经元之间的基因表达差异可能是
控制全细胞 AZ 形态的单细胞 RNA 测序表明 Toll-6 是差异最大的细胞之一。
1b和1s神经元之间表达的基因,初步数据表明它能够影响AZ
形态学和电生理学使其成为可能的候选者 AZ 特性之间的潜在差异
为了确定 AZ 形态与 1b 和 1s 神经元之间的 Pr 的相关性,一种新颖的方法。
基因编码荧光释放传感器和 STED 显微镜将用于果蝇 NMJ
比较纳米级 AZ 形态和单个 AZ 处的 Pr 将用于研究外源钙缓冲液。
形态学在确定 SV 和钙通道之间的纳米域距离耦合中的重要性。
确定 Toll-6 如何影响全细胞 AZ 形态以及 1b 和 1s 神经元中的 Pr、Toll-6 表达水平
该项目将在 Troy Littleton 博士的实验室中进行。
麻省理工学院 (MIT) 的 Picower 学习与记忆研究所 (PILM)。
利特尔顿博士的实验室提供必要的设备以及 STED 显微镜和相关培训
电生理学将由 Littleton 博士和 MIT 和 PILM 的高级实验室成员进行。
优秀的科学和专业发展资源和机会。
项目成果
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