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Prof. Dr. Rüdiger Rudolf

Visualisierung der zellulären Signalgebung an der motorischen Endplatte: Verbindung von Funktion und Pathologie

Altersbedingter Muskelschwund ist in westlichen Gesellschaften ein Problem zunehmender klinischer Relevanz. Welchen Anteil Nerv- und Muskel-intrinsische Veränderungen an der beobachteten Unterbrechung der Nerv-Muskelverbindung haben, ist Gegenstand wissenschaftlicher Debatten. Analog zu anderen liganden-gesteuerten Ionenkanälen des Zentralnervensystems weisen auch die nikotinischen Azetylcholinrezeptoren (AChR), die an der postsynaptischen Seite von motorischen Endplatten lokalisiert sind, ein komplexes aktivitätsabhängiges intrazelluläres Trafficking auf. Dieses beinhaltet Exozytose, Endozytose, Recycling und Abbau mittels Autophagie.

Wir benutzen eine Kombination aus Expressions- und Visualisierungsprotokollen, um das Trafficking des AChR im lebenden Gewebe zu studieren und können daher die umfangreiche regulatorische Aktivität der Nerv-Muskel-Interaktion adressieren. Dies zeigte, dass das aktivitätsabhängige Recycling des AChR durch das Motoprotein Myosin Va vermittelt und durch PKA Typ I reguliert wird. In diesem Kontext hängt die Funktion der PKA von ihrer Verankerung in einer spezifischen Endplatten-Mikrodomäne durch das A-Kinaseankerprotein Rapsyn ab. Unter katabolischen Bedingungen werden AChR durch Autophagie unter Beteiligung eines Proteinkomplexes aus Endophilin B1, p62/SQSTM1 und der E3-Ligase MuRF1 abgebaut. Dieser Abbauweg wird durch die Phosphorylierung von Endophilin B1 kontrolliert, welches seinerseits die Aktivität des Frühen Endosomen-Organisators Rab5 moduliert.

Sympathische Innervierung der Skelettmuskulatur

Eine zweite Forschungsrichtung fokussiert auf die sympathische Innervierung der Skelettmuskulatur. Das Sympathische Nervensystem (SNS) reguliert basale Körperfunktionen wie Herzschlag, Blutdruck und Drüsenaktivitäten. Dabei werden diese Vorgänge systemisch durch Hormonfreisetzung aus der Nebenniere und lokal durch schnelle und direkte sympatische Innervierung gesteuert. Wenngleich viele Effekte des sympathischen Nervensystems auf die Skelettmuskulatur bekannt sind, wurde die Rolle direkte sympathischer Innervierung der Skelettmuskulatur nur sehr unzureichend bearbeitet. Wir arbeiten an dieser Fragestellung und haben jüngst gezeigt, dass motorische Endplatten durch sympathische Neurone innerviert werden (Abb. 1A). Dies ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Aufrechterhaltung und Funktion der Endplatten (Abb. 1B).

Wir werden diese Punkte weiter studieren und wollen unter anderem verstehen, wie die genaue Biologie dieser Nerv-Muskelinteraktion ist, wie sympathische Innervierung die Bildung und Aufrechterhaltung der Endplatten steuert und welche Verbindungen zwischen sympathischer Innervierung und neuromuskulären Erkrankungen bestehen. In Bezug auf den letzten Aspekt ist besonders relevant, dass in jüngerer Zeit sympathikomimetische Arzneimittel sehr erfolgreich für die klinische Behandlung verschiedener Kongenitaler Myasthenischer Syndrome eingeführt wurden, ohne dass deren exakter Wirkmechanismus bekannt wäre.

Verteilung und Rolle sympathischer Neurone im Skelettmuskel. (A) Oberes Teilbild: Zwerchfellmuskel einer Reportermaus, die Tomatoprotein (rot) in sympathischen Neuronen exprimiert. Der Muskel wurde mit anti-Tyrosinehydroxylase-Antikörper (katecholaminerge sympathische Neurone, grün) und alpha-Bungarotoxin (AChR, blau) gegengefärbt. Das Bild zeigt die dreidimensionale Maximumprojektion eines konfokalen z-Bilderstapels. Unteres Teilbild: Wildtyp EDL-Muskellängsschnitte wurden gegen VACHT (cholinerge alpha-Motoneurone, grün), Tyrosinhydroxylase (katecholaminerge sympathische Neurone, rot), und alpha-Bungarotoxin (AChR, blau) gefärbt. Das Bild zeigt die dreidimensionale Maximumprojektion eines konfokalen z-Bilderstapels. (B) Behandlung mit Sympathikomimetika führt zu einer Erholung von Endplattenschäden in sympathektomierten Muskeln. Muskeln von wildtyp-Mäusen wurden über zwei Wochen jeden zweiten Tag mit Kochsalzlösung (wt) oder 6-Hydroxydopamin (sympathikotoxisch, SE) behandelt. In den letzten 10 Tagen erhielt eine SE-Gruppe zusätzlich das Sympathikomimetikon Clenbuterol (SE+SM). Dann wurden die Muskeln entnommen, geschnitten und mit alpha-Bungarotoxin und anti-VACHT-Antikörpern gefärbt. Die Bilder zeigen Projektionen repräsentativer Endplatten. Alle Abbildungen aus Khan et al. PNAS 2016, modifiziert.

Auswahl aktueller Publikationen

  1. Wild F, Khan MM, Straka T, Rudolf R. Progress of endocytic CHRN to autophagic degradation is regulated by RAB5-GTPase and T145 phosphorylation of SH3GLB1 at mouse neuromuscular junctions in vivo. Autophagy. 2016;12: 2300–2310.
  2. Khan MM, Lustrino D, Silveira WA, Wild F, Straka T, Issop Y, et al. Sympathetic innervation controls homeostasis of neuromuscular junctions in health and disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113:746-50.
  3. Franke B, Gasch A, Rodriguez D, Chami M, Khan MM, Rudolf R, et al. Molecular basis for the fold organization and sarcomeric targeting of the muscle atrogin MuRF1. Open Biol. 2014;4:130172.
  4. Khan MM, Strack S, Wild F, Hanashima A, Gasch A, Brohm K, Reischl M, Carnio S, Labeit D, Sandri M, Labeit S, Rudolf R. Role of autophagy, SQSTM1, SH3GLB1, and TRIM63 in the turnover of nicotinic acetylcholine receptors. Autophagy. 2014;10: 123-36.
  5. Choi KR, Berrera M, Reischl M, Strack S, Albrizio M, Röder IV, Wagner A, Petersen Y, Hafner M, Zaccolo M, Rudolf R. Rapsyn mediates subsynaptic anchoring of PKA type I and stabilisation of acetylcholine receptor in vivo. J Cell Sci. 2012;125: 714-723.
  6. Valkova C, Albrizio M, Röder IV, Schwake M, Betto R, Rudolf R, Kaether C. Rer1 controls surface-expression of muscle acetylcholine receptors by ER-retention of unassembled alpha-subunits. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108: 621-625.
  7. Röder IV, Choi KR, Reischl M, Petersen Y, Diefenbacher ME, Zaccolo M, Pozzan T, and Rudolf R. Myosin Va cooperates with PKA RIa to mediate maintenance of the endplate in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A 2010;107: 2031-2036.
  8. Mammucari C, Milan G, Romanello V, Masiero E, Rudolf R, Del Piccolo P, Burden SJ, Di Lisi R, Sandri C, Zhao J, Goldberg AL, Schiaffino S, and Sandri M. FoxO3 Controls Autophagy in Skeletal Muscle In Vivo. Cell Metab. 2007;6:458-471.
  9. Rudolf R, Magalhaes J, and Pozzan T. Direct in vivo monitoring of sarcoplasmic reticulum Ca2+ and cytosolic cAMP dynamics in mouse skeletal muscle. J Cell Biol. 2006;173:187-193.
  10. Rudolf R, Mongillo M, Rizzuto R, and Pozzan T. Looking forward to seeing calcium. Nature Rev Mol Cell Biol. 2003;4:579-586.

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