Authors:	Klein, Aylin
Title:	Presynaptic function of the voltage-gated calcium channel DmCa1D in Drosophila larval motoneurons
Online publication date:	22-Dec-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Voltage-gated calcium-channels (VGCCs) are indispensable for neuronal information processing. The different functions mediated by VGCCs are dependent on their conductance, activation and inactivation kinetics and their location in different compartments. These include exocytosis of synaptic vesicles from presynaptic terminals, generating of plateau potentials, modifications of action potential-shape, frequency, and propagation along the axon, as well as amplification of postsynaptic potential in dendrites. In Drosophila there are three different genes for VGCCs: DmCa1D (Cav1), DmCa1A (Cav2) and DmCa1G (Cav3), each of which is homolog to one vertebrate family. This work addresses the functions of DmCa1D L-type channels in different compartments of larval motoneurons. In collaboration with other members of the Duch lab we show that axonal and dendritic DmCa1D channels increase motoneuron firing rates. Ca2+ influx into motoneuron dendrites may amplify postsynaptic potentials, thus increasing firing rates and burst durations. During high frequency motoneuron firing, Ca2+ influx through axonal DmCa1D channels causes fast de-inactivation of sodium channels via transient BK channel activation, thus shortening the refractory period. Therefore, in Drosophila larvae axonal and dendritic DmCa1D channels enhance motoneuron firing and thus synaptic vesicle release to the muscle. Based on these findings I then focused on the question whether DmCa1D channels may also enhance synaptic vesicle turn-over. In Drosophila, synaptic vesicle release requires presynaptic Ca2+ influx through DmCa1A channels at active zones. In multiple systems, including the Drosophila neuromuscular junction, the recycling of synaptic vesicles is also affected by Ca2+. I provide evidence that DmCa1D channels mediate presynaptic Ca2+ influx to enhance synaptic vesicle retrieval at larval motoneuron terminals. DmCa1D channels localize to the periactive zone of motoneuron synaptic terminals, but there is no co-localization with the active zone marker Bruchpilot. Localization is in agreement with a potential role in synaptic vesicle endocytosis. This is further supported by increased synaptic depression upon genetic manipulation of presynaptic DmCa1D channels. Moreover, pharmacological blockade of DmCa1D reduces SV endocytosis while exocytosis is likely not affected. In sum, localization of DmCa1D to three different compartments of motoneurons provides three separate mechanisms that cooperatively augment maximum motoneuron firing rates with sustainable information transfer to the muscle. Spannungsabhängige Calcium Kanäle (VGCCs) sind unverzichtbar für die Verarbeitung neuronaler Informationen. Die verschiedenen Funktionen von VGCCs sind abhängig von deren Leitfähigkeit, Aktivierungs- und Inaktivierungskinetik und Lokalisation in verschiedenen Kompartimenten. Diese beinhalten die Exozytose von synaptischen Vesikeln an präsynaptischen Terminalen, die Generierung von Plateau-Potentialen, Modifikationen der Form von Aktionspotentialen, deren Frequenz und deren Weiterleitung entlang des Axons, und die Amplifikation von postsynaptischen Potentialen in Dendriten. In Drosophila gibt es vier verschiedene Gene für VGCCs: DmCa1D (Cav1), DmCa1A (Cav2) und DmCa1G (Cav3), wovon jeweils eines homolog zu einer Vertebraten Familie ist. Diese Arbeit behandelt die Funktion des DmCa1D L-Typ Kanals in verschiedenen Kompartimenten von larvalen Motoneuronen. In Zusammenarbeit mit anderen Mitgliedern der Arbeitsgruppe zeigen wir, dass axonale und dendritische DmCa1D Kanäle die Feuerraten von Motoneuronen erhöhen. Ca2+ Einstrom in die Dendriten von Motoneuronen soll postsynaptische Potentiale verstärken und damit Feuerraten und die Dauer eines Burst erhöhen. Während hoch-frequentiertem Feuern von Motoneuronen verursacht Ca2+ Einstrom durch axonale DmCa1D Kanäle die schnelle De-Inaktivierung von Natrium-Kanälen durch die Aktivierung von BK Kanälen und einer Verkürzung der Refraktärzeit. Somit erhöhen axonale und dendritische DmCa1D Kanäle in Drosophila Larven das Feuern von Motoneuronen und damit die Freisetzung von synaptischen Vesikeln zum Muskel. Basierend auf diesen Entdeckungen fokussierte ich mich auf die Frage, ob DmCa1D Kanäle auch die Wiedergewinnung von synaptischen Vesikeln verstärken. Die Freisetzung von synaptischen Vesikeln erfordert präsynaptischen Ca2+ Einstrom durch DmCa1A Kanäle an der aktiven Zone in Drosophila. In verschiedenen Systemen, darunter auch die neuromuskuläre Synapse von Drosophila, ist auch das Recycling von synaptischen Vesikeln von Ca2+ betroffen. Ich erbringe Hinweise, dass DmCa1D Kanäle präsynaptischen Ca2+ Einstrom vermitteln, um die Wiedergewinnung von synaptischen Vesikeln an larvalen Motoneuron-Terminalen zu verstärken. DmCa1D Kanäle lokalisieren an die periaktive Zone von diesen Terminalen und zeigen keine Co-Lokalisation mit dem aktiven Zone-Marker Bruchpilot. Die Lokalisation stimmt mit der potentiellen Rolle in der Endozytose synaptischer Vesikel überein. Dies ist weiter bekräftigt durch eine erhöhte synaptische Depression bei genetischen Manipulationen von präsynaptischen DmCa1D Kanälen. Außerdem reduziert die pharmakologische Blockade von DmCa1D die Endozytose synaptischer Vesikel, wobei die Exozytose davon nicht betroffen zu sein scheint. Zusammenfassend bietet die Lokalisation von DmCa1D in drei verschiedenen Kompartimenten von larvalen Motoneuronen drei separate Mechanismen, die kooperativ maximale Motoneuron-Feuerraten mit kontinuierlichem Informationstransfer auf den Muskel verstärken.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2767
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009118
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	114 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen