Bandsynapsen sind hochspezialisierte chemische Synapsen, die man in sensorischen Neuronen wie den Haarsinneszellen im Innenohr oder den Photorezeptoren in der Retina findet. Charakteristisch und namensgebend ist eine elektronendichte Struktur, das synaptische Band, welches an der aktiven Zone verankert ist. Bandsynapsen sind auf die schnelle, graduierte und tonische Freisetzung von Neurotransmitter in Abhängigkeit vom Membranpotential der Sinneszelle spezialisiert. An Photorezeptor-Bandsynapsen wird der Neurotransmitter Glutamat freigesetzt, wobei die höchste Freisetzungsrate im Dunkeln vorliegt und die Freisetzung kontinuierlich an sich ändernde Lichtbedingungen – Zu- oder Abnahme der Helligkeit – angepasst wird. Photorezeptor-Bandsynapsen gehören zu den effizientesten und komplexesten Synapsen im Zentralnervensystem. Noch weitestgehend unbekannt ist, wie die Exo- und Endocytose an der Photorezeptor-Bandsynapse ablaufen und welche Mechanismen zur Adaptation an verschiedene Lichtbedingungen beitragen. In mehreren Studien an albinotischen Balb/c-Mäusen wurden lichtabhängige strukturelle Veränderungen der synaptischen Bänder beschrieben. Daraus entstand die Hypothese, dass diese Veränderungen die Transmitterfreisetzung regulieren und die Bandsynapse damit an verschiedene Lichtbedingungen adaptieren. In meiner Doktorarbeit untersuchte ich drei Mausstämme – den pigmentierten C57BL/6-Stamm und die beiden albinotischen Stämme Balb/c und B6(Cg)-Tyrc-2J/J (B6c-2J) – hinsichtlich adaptiver lichtabhängiger Mechanismen an den Photorezeptor-Bandsynapsen. Die Mäuse wurden hell- oder dunkeladaptiert oder einem Hell- oder Dunkelstimulus ausgesetzt, und die Struktur der synaptischen Bänder wurde mit licht- und elektronenmikroskopischen Methoden untersucht. Die lichtabhängigen strukturellen Veränderungen synaptischer Bänder konnten im albinotischen Balb/c-Mausstamm bestätigt werden, allerdings konnte ich keine derartigen Veränderungen in pigmentierten C57BL/6-Mäusen finden. Damit ist es unwahrscheinlich, dass ein Umbau der synaptischen Bänder einen generellen Mechanismus zur Adaptation der Photorezeptor-Bandsynapse darstellt. B6c-2J-Mäuse sind koisogen zu C57BL/6-Mäusen, aufgrund einer Mutation im Tyrosinase-Gen jedoch albinotisch. In diesen Mäusen traten nach Helladaptation geringfügig mehr strukturelle Veränderungen auf als in C57BL/6-Mäusen – ein Unterschied, der der fehlenden Pigmentierung und damit höheren Belichtung der Retina in den albinotischen Mäusen zugeschrieben werden kann – aber deutlich weniger als in Balb/c-Mäusen. Die umfassenden strukturellen Veränderungen der Photorezeptor-Bandsynapsen im albinotischen Balb/c-Stamm können daher nicht allein durch die fehlende Pigmentierung erklärt werden und sind wahrscheinlich ein Resultat der Vielzahl an genetischen Veränderungen, die diese Mäuse aufweisen. In einem weiteren Teil der Doktorarbeit untersuchte ich mit Licht- und Elektronenmikroskopie die Größe der synaptischen Bänder und aktiven Zonen. Die strukturellen Veränderungen in helladaptierten Balb/c-Mäusen gingen mit deutlich kürzeren synaptischen Bändern einher. In pigmentierten C57BL/6-Mäusen konnte weder ein Einfluss der Beleuchtung noch des circadianen Rhythmus auf die Größe der synaptischen Bänder und aktiven Zonen beobachtet werden. Deshalb untersuchte ich in einem weiteren Schritt die Photorezeptoren von C57BL/6-Mäusen mit molekularen (PCR) und proteinbiochemischen Methoden (Western Blot) auf mögliche adaptive Veränderungen auf Transkript- und Proteinebene. Nach Dunkeladaptation war die RNA Expression und Proteinmenge von RIBEYE erhöht, einem bandsynapsen-spezifischen Protein, welches die Hauptkomponente des synaptischen Bandes darstellt. Keine eindeutigen Unterschiede fanden sich hingegen für die beiden anderen untersuchten Proteine Bassoon und Piccolino. Interessante abschließende Befunde meiner Arbeit, die zu weiterführenden Untersuchungen anregen, waren: (1) Das Auftreten endocytotischer Vesikel in den Photorezeptor-Terminalien dunkeladaptierter C57BL/6-Mäuse, (2) Unterschiede in der Fläche der postsynaptischen Invaginationen der Horizontal-und Bipolarzellen in die Photorezeptor-Terminalien zwischen dunkel (größere Fläche) und hell (kleinere Fläche), wobei sich im Dunkeln die Horizontalzell-Fortsätze um das synaptische Band wölbten und (3) Die unterschiedliche Verteilung der Vesikel am synaptischen Band nach Hell- und Dunkeladaptation. Im Hellen befanden sich weniger Vesikel an der Basis des synaptischen Bandes – dem Ort der Transmitterfreisetzung – als im Dunkeln. Auch wenn in den Photorezeptoren von C57BL/6-Mäusen keine strukturellen Veränderungen der synaptischen Bänder auftreten, könnten die zuvor genannten Unterschiede einen Einfluss auf die synaptische Übertragung haben und damit dazu beitragen die Photorezeptor-Bandsynapse an verschiedene Lichtbedingungen zu adaptieren.

Ribbon synapses are highly specialized chemical synapses found in sensory neurons like the hair cells in the inner ear and retinal photoreceptors. They are characterized by an electron-dense structure, the synaptic ribbon, which is anchored to the active zone. Ribbon synapses are specialized for fast, graded and tonic release of neurotransmitter in response to changes of the membrane potential of the sensory neuron. At photoreceptor ribbon synapses the neurotransmitter glutamate is released with highest rates in the dark and the release rate is continuously adapted to changing light conditions – increasing or decreasing illumination. Photoreceptor ribbon synapses belong to the most efficient and complex synapses in the central nervous system. It is unknown how exocytosis and endocytosis at the photoreceptor ribbon synapse take place and which mechanisms contribute to the adaptation to changes in illumination. Several studies using albinotic Balb/c mice described light induced structural changes of synaptic ribbons. This led to the hypothesis that these changes might regulate transmitter release and thus adapt the ribbon synapse to different light conditions. In my thesis, I analyzed adaptive, light-dependent mechanisms at the photoreceptor ribbon synapses of three mouse strains – the pigmented C57BL/6 strain and the two albinotic strains Balb/c and B6(Cg)-Tyrc-2J/J (B6c-2J). The mice were light or dark adapted or exposed to a light or dark stimulus, and the structure of the synaptic ribbons was analyzed with light and electron microscopy. I could confirm the structural changes of synaptic ribbons in the albinotic Balb/c mouse strain, but could not detect such changes in pigmented C57BL/6 mice. Thus, it is unlikely that a remodeling of synaptic ribbons represents a general mechanism for light adaptation at the photoreceptor ribbon synapse. B6c-2J mice are coisogenic to C57BL/6 mice, but are albinotic due to a mutation in the tyrosinase gene. In these mice, light induced slightly more structural changes than in C57BL/6 mice – a difference that can be attributed to the lack of pigmentation and an increased retinal illumination in the albinotic mice – but fewer changes than in Balb/c mice. Thus, the extensive structural changes at the photoreceptor ribbon synapses in Balb/c mice cannot be explained by the lack of pigmentation alone and probably result from a variety of genetic changes in these mice. In another part of my thesis I analyzed the size of the photoreceptor synaptic ribbons and active zones with light and electron microscopy. The structural changes in light adapted Balb/c mice are accompanied by considerably shorter ribbons. In pigmented C57BL/6 mice I could not detect an influence of the illumination or the circadian rhythm on the size of the synaptic ribbons or active zones. Therefore, in a further step I analyzed the photoreceptors of C57BL/6 mice with molecular (PCR) and protein biochemical (western blot) methods to look for possible adaptive changes on the transcript and protein level. After dark adaptation, I found increased RNA and protein levels for RIBEYE, a ribbon synapse specific protein and the main component of the synaptic ribbon. No clear changes were found for the two other examined proteins, Bassoon and Piccolino. Finally, some interesting results of my thesis that will need further investigation are: (1) The occurrence of endocytotic vesicles in the photoreceptor terminals of dark adapted C57BL/6 mice, (2) Differences in the size of the postsynaptic invaginations of the horizontal and bipolar cells into the photoreceptor terminals between dark (larger size) and light (smaller size), with the horizontal cells bending around the synaptic ribbon and (3) The different distribution of vesicles at the synaptic ribbon after light and dark adaptation. In the light fewer vesicles were located at the base of the synaptic ribbon – the place of transmitter release. Even though there are no structural changes of synaptic ribbons in the photoreceptors of C57BL/6 mice, all of the differences described above might have an influence on synaptic transmission and thus contribute to light adaptation at the photoreceptor ribbon synapse.