German Title: Einfluss der Zellkerngeometrie von Neuronen auf die Signalverarbeitung in Zellkernen

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Abstract

Kalziumsignale in Neuronen sind ein zentraler Regulator für Genexpression und spielen bei der Gedächtnisformation, dem Lernen und dem Überleben einer Zelle eine wesentliche Rolle. Ein bedeutender Kommunikationsweg zwischen Synapse und Zellkern basiert auf dem Transport von Kalziumionen, von synaptischen oder extra-synaptischen NMDA Rezeptoren zum Kern, wo diese den Transkriptionsfaktor CREB aktivieren. Am IZN (Heidelberg) neu entdeckte Mechanismen sind verantwortlich für Zellkernplastizität. Die Morphologie von Zellkernen unterläuft zeitliche Veränderungen, die von Änderungen der zellulären Kalziumkonzentration durch NMDA Rezeptoren reguliert werden. Es besteht die Möglichkeit, dass die Kernmorphologie den Kommunikationsweg zwischen Synapse und Kern beeinflusst. Diese Arbeit präsentiert einen neu entwickelten Trägheitsbasierten Bildfilter, der es uns ermöglicht die Zellkerngeometrie von Neuronen aus dem Hippocampus aus konfokalen Mikroskopiedaten zu rekonstruieren. Eine Datenbank von rekonstruierten Zellkernen zeigt, dass diese Zellkerne tiefe Einfaltungen der Kernhülle aufweisen, welche die Kernoberfläche vergrößern, Diffusionsstrecken für Kalziumionen im Kern minimieren und strukturelle Micro-Domänen im Kern bilden. Um die Funktion dieser komplexen Kernstrukturen mathematisch zu untersuchen wurde ein dreidimensionales Modell zur Beschreibung der Kalziumsignalverarbeitung in Zellkernen entwickelt, basierend auf den rekonstruierten Kerngeometrien. Dieses Modell wurde vollständig in die Simulationsumgebung UG implementiert, welche Mehrgitter-Löser für die Modellgleichungen zur Verfügung stellt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Morphologie der Zellkerne in der Tat die in den Kern eindringenden Kalziumsignale beeinflusst. Einfaltungen der Kernmembran verringern Diffusionsstrecken, wodurch Kalziumionen entferntere Stellen im Kern schneller erreichen können. Zudem weisen eingefaltete Kerne höhere Aktivität auf und sind besser in der Lage hochfrequente Signale aufzulösen. Zusätzlich zu dem dreidimensionalen Modell der Kalziumsignalverarbeitung wurde eine Methode zur Schätzung des Diffusionskoeffizienten von Kernkalzium entwickelt. Diese Methode verwendet Techniken der numerischen Optimierung zusammen mit experimentellen Daten, welche aus laserunterstützen Kalzium-uncaging Experimenten stammen. Diese datenunterstützten Simulationen beschreiben Kernkalzium in einem gepufferten Zustand, der von einem aktiven Diffusionskoeffizienten von ca. 36 µm2 /s beschrieben werden kann.

Translation of abstract (English)

Calcium signaling in neurons is a key regulator of gene expression and plays an im- portant role in memory formation, learning and survival. One ma jor route on which synapses and the nucleus of the neuron communicate, is through calcium waves that propagate from NMDA receptors – either synaptic or extra-synaptic – to the nucleus where they activate the transcription factor CREB. Novel mechanisms were recently unveiled at the IZN in Heidelberg, that are respon- sible for nuclear plasticity. The morphology of nuclei undergoes changes in time, regulated by calcium influx through NMDA receptors. Changes in the nuclear mor- phology could affect the communication pathway between synapse and nucleus. This thesis presents a novel inertia-based image processing filter that allows us to reconstruct the geometry of hippocampal nuclei from raw confocal microscopy data. A data base of reconstructed nuclei shows, that cell nuclei from hippocampal neu- rons contain deep infoldings of the nuclear envelope which increase nuclear surface size, minimize diffusion distances for calcium ions in the nucleus and form structural micro domains inside the nucleus. In order to mathematically assess the function of these complex nuclear structures, a three dimensional model for calcium signaling in the nucleus, based on the recon- structed nuclear geometries, was developed. This model was fully implemented in the simulation environment UG, which offers multi-grid solvers for the model equa- tions. Simulation results show, that the nuclear morphology in fact influences the way calcium signals propagate inside the nucleus. The infoldings of the membrane shorten diffusion distances, therefore calcium can reach more distal sites faster. Furthermore, infolded nuclei show higher levels of activity and are more adept at resolving signals at high frequencies. In addition to the three dimensional model for calcium signaling a method for es- timating the diffusion coefficient of nuclear calcium was developed. This method makes use of numerical optimization techniques with data from laser-assisted cal- cium uncaging experiments. Data driven simulations describe nuclear calcium to be in a buffered state, which is represented by an active diffusion coefficient of approx- imately 36 µm2 /s.