RESEARCH



Seit 2001 konzentriert Prof. Dr. Rizzoli seine Arbeit auf die Mechanismen der präsynaptischen Funktion, insbesondere auf das synaptische Vesikel-Recycling. Im Laufe der Jahre haben wir ein neues Konzept der Neurotransmitter-Freisetzung identifiziert und entwickelt, bei dem eine kleine Anzahl „perfekter“ synaptischer Vesikel an den meisten synaptischen Freisetzungsereignissen beteiligt ist. Diese Vesikel sind mobil und können sich daher immer zu den Freisetzungsstellen (aktiven Zonen) bewegen, während alle anderen Vesikel unbeweglich sind und nur selten fusionieren. Wir haben verschiedene Elemente dieses Modells beschrieben (Rizzoli und Betz, Science, 2004; Westphal et al., Science, 2008; Kamin et al., Biophys J, 2010; Hoopmann et al., PNAS, 2010; Wilhelm et al., Nat Neurosci, 2010) und es in wichtigen Übersichtsarbeiten auf die meisten bekannten synaptischen Präparate ausgeweitet (Rizzoli und Betz, Nat Rev Neurosci, 2005; aktualisiert in Denker und Rizzoli, Front Synaptic Neurosci, 2010).

Kürzlich haben wir dieses Konzept in Synapsen verhaltensfähiger Tiere in der ersten Studie zur Vesikelfunktion in vivo nachgewiesen (Denker et al., PNAS, 2011a; Denker et al., PNAS, 2011b). Zusätzlich zu den Studien über synaptische Vesikel habe ich die von mir entwickelten Werkzeuge für den Membranverkehr auf andere Systeme wie die endosomale Sortierung angewandt (z. B. Bethani et al., EMBO J, 2007; Barysch et al., PNAS, 2009).

Desweiteren besteht ein starkes Interesse an der Entwicklung von Mikroskopietechniken, vor allem durch die Anwendung der Super-Resolution-Mikroskopie auf biologische Fragen. Mit dem Schwerpunkt auf der Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie lieferten wir die erste echte biologische Anwendung dieser Technik (Willig et al., Nature, 2006) und die erste Anwendung für Live-Bilder (Westphal et al., Science, 2008), und wir waren auch an anderen Bemühungen beteiligt, wie z. B. an den ersten mehrfarbigen Superauflösungsanwendungen (Donnert et al., Biophys J, 2007).

Unser Labor hat zwei Schwerpunkte: High-End-Bildgebung und Spitzenforschung in der synaptischen Physiologie. Bei allen Projekten kommen fortschrittliche Bildgebungsverfahren zum Einsatz, darunter STED und Elektronenmikroskopie. Das ultimative Ziel unserer Arbeit ist es, die funktionelle Organisation der Zelle zu verstehen – die Verbindung zwischen der topologischen Verteilung von zellulären Elementen (Proteinen oder Organellen) und ihrer Funktion. Wir konzentrieren uns derzeit auf das präsynaptische Kompartiment, dessen relative Einfachheit und gut verstandene Funktion solche Studien leichter möglich machen.

Kurz gesagt, die meisten Proteine, die bisher mit Hilfe der hochauflösenden Bildgebung untersucht wurden, bilden supermolekulare Assemblierungen oder Cluster. Die Gründe dafür sind komplex, und es gibt keine allgemeine Erklärung dafür, zumal die Lage der Cluster oft nicht mit der Funktion des Proteins korreliert. So finden sich beispielsweise Fusionsproteine, die an der Exozytose synaptischer Vesikel beteiligt sind, überall auf der Plasmamembran in Clustern, auch an Stellen, an denen es keine Vesikel gibt. Eine übermäßige Anzahl von Kopien in einem Cluster ist nicht auf Proteine beschränkt: Synaptische Vesikel finden sich in immenser Zahl in Clustern, insbesondere in neuromuskulären Verbindungen, wobei es nur wenige Erklärungen für die funktionelle Bedeutung der meisten Vesikel gibt (zum Beispiel werden von den ~500.000 Vesikeln in der neuromuskulären Verbindung des Frosches nur ~250 Vesikel für ein Aktionspotenzial verwendet).

Daher ist die funktionelle Organisation vieler synaptischer (oder zellulärer) Elemente nur unzureichend bekannt. Um diese Art von Fragen zu lösen, kombinieren wir Bildgebung, Biochemie und Biophysik, um die Menge der freien Moleküle, der in Clustern gefundenen Moleküle sowie deren Austauschraten zu bestimmen. Anschließend vergleichen wir alle diese Werte mit der Anzahl der für die Funktion verwendeten Moleküle. Wir haben diesen Ansatz als stöchiometrische Biologie bezeichnet (Lang und Rizzoli, 2010) und wenden ihn an, um sowohl Proteincluster als auch die Organisation von Organellen (Vesikeln) zu untersuchen. Wir haben die erste Demonstration dieses Ansatzes veröffentlicht und eine neue Funktion für die Cluster synaptischer Vesikel vorgeschlagen, nämlich die Pufferung löslicher synaptischer Proteine (Denker et al., 2011b).