Revisiting IP3R channel clustering and calcium dynamics: From nano-waves to cellular oscillations - Spatio-temporal dynamics of intracellular calcium release

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Mit der Entwicklung der Calcium-Visualisierung hin zur Nanometer-Auflösung, die die Identifizierung einzelner Calciumkanäle ermöglicht, wird ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse benötigt. Intrazelluläres Calcium steuert fundamentale zelluläre Prozesse wie z.B. Embryonalentwicklung, Genexpression und die Freisetzung von Neurotransmittern. Vor kurzem wurden entscheidende Hinweise für die zentrale funktionale Rolle der lokalen und räumlich-zeitlichen Calciumverbreitung gefunden, so dass Calcium eine herausragendes Beispiel für den aktuellen Fokus auf vierdimensionale Zellbiologie ist.In diesem Projekt wollen wir ein Software-Paket benutzen, um ein hybrides, deterministisch-stochastisches Modell für Calcium-Signale zu untersuchen. Zunächst richten wir dieses Modell an den Fortschritten in der experimentellen Visualisierung lokaler Calcium-Freisetzung aus. Die sogenannte Puffs sind zufallsbestimmte, aber synchronisierte Öffnungen von IP3-Kanälen in Clustern und werden als grundlegende Bausteine der globalen Signale betrachtet. Auf der Basis unseres Software-Paketes und neuer experimenteller Erkenntnisse wollen wir nun die Cluster viel genauer als bisher möglich modellieren, so dass viele Aspekte der Puffs, wie z.B. die Rolle der Geometrie und Sub-Clusterung aufgedeckt werden können sowie die allgemeinen Prinzipien der Synchronisation in zellulären Signalwegen untersucht werden können. Mit unserem neuen Verständnis von Puffs werden wir in einer zweiten Phase des Projekts die zell-globale Calcium-Abgabe und die Erzeugung von Wellen erforschen. In einem neuartigen Modellierungsansatz, und orientiert an experimentellen Ergebnissen, gehen wir davon aus, dass es zwei Teilpopulationen von Kanälen gibt, nämlich Kanäle, die Cluster formen sowie isolierte Kanäle zwischen den Clustern. Wir wollen hier entscheidend zur jüngsten wissenschaftlichen Debatte über die Erzeugung regelmäßiger Calcium-Oszillationen aus einer fluktuierenden Umgebung beitragen.