Die Übertragung eines elektrischen Signals von einem Neuron auf das Nächste ist ein grundlegender Prozess in der Kommunikation zwischen Gehirn und Muskel. Diese Signalübertragung geschieht an der Synapse, an welcher das elektrische in ein chemisches Signal umgewandelt werden muss, um den synaptischen Spalt passieren zu können. In Vesikeln sind Neurotransmitter gespeichert, welche nach Stimulation durch ein Aktionspotential via Exocytose in den synaptischen Spalt abgegeben werden. Als Erstes bewirkt das eintreffende Aktionspotential die Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle. Das einströmende Ca2+ bindet an den Ca2+- Sensor Synaptotagmin-1 (Syt-1), welches dann die Fusion zwischen den Membranen von Vesikel und präsynaptischer Zelle ermöglicht. Syt-1 dringt in die präsynaptische Zellmembran ein und verursacht dadurch eine Biegung der Membran. Diese Krümmung bringt die beiden Membranen in unmittelbare Nähe und hilft damit, die Energiebarriere für spontane Fusion der Membranen zu überwinden. Es öffnet sich eine Pore, durch welche die Neurotransmitter via Diffusion in den synaptischen Spalt entweichen können. (1, 11)
Es wird angenommen, dass Syt-1 mit den Ca2+- Bindetaschen in Richtung der präsynaptischen Membran orientiert ist und in weiterer Folge in diese eintaucht. (11, 12, 22) Jedoch sind auch der polybasic lysine stretch (K324, K325, K326, K327) und die beiden aufeinanderfolgenden Arginine (R398, R399) Teil der Struktur von Syt-1 und auch mit diesen Teilen des Proteins wurden bereits Interaktionen zur Membran beobachtet. (23) Die exakte Schnittstelle auf molekularer Ebene zwischen Syt-1, dem ebenfalls beteiligten SNARE-complex und den Membranen konnte bisher aber noch nicht endgültig aufgeklärt werden. (34)
Mit aktuellem Stand der Wissenschaft verbleibt auch die exakte Zusammensetzung von vesikulärer und präsynaptischer Membran ungeklärt. Der Einfluss von unterschiedlichen Lipid-Typen auf die durch Syt-1 ermöglichte Fusion sollte daher näher untersucht werden. Vor allem PIP2 und Cholesterol könnten einen schwerwiegenden Einfluss auf die Interaktionswahrscheinlichkeit und damit auf den Prozess der Neurotransmission selbst haben. (23, 51)

In dieser Diplomarbeit präsentieren wir mehrere Moleküldynamiksimulationen mit der C2B-Domäne von Syt-1 und Membranen unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Simulationen wurden als coarse-grained Model ausgeführt. Unser Ziel war, die Simulationen möglichst frei und unbeeinflusst zu gestalten, um die wahrscheinlichsten Interaktionen zwischen Protein und Membran beobachten zu können. Die C2B-Domäne wurde zwischen zwei Membranen gleicher Zusammensetzung platziert und anschließend mehrere Simulationen zu je 500ns durchgeführt. Wir beschränkten uns letztendlich auf sieben Systeme mit verschiedenen Membranzusammensetzungen und zwei verschiedene Strukturen der Syt-1 C2B-Domäne. Mit dieser Konfiguration wurden insgesamt 46 Läufe pro Protein durchgeführt, was einer Gesamtsimulationszeit von 46,80 Mikrosekunden entspricht.
Interessanterweise konnten wir die erwartete Interaktion mit den in die Membran eindringenden Ca2+- Bindungstaschen nicht beobachten. Stattdessen fand die häufigste Interaktion zwischen dem polybasic lysine stretch und PIP2 statt. Wir konnten eine klare Abhängigkeit zur PIP2-Konzentration in der Membran zeigen, wobei die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit steigender PIP2-Konzentration zunahm. Der Einfluss der Ca2+- Konzentration auf die Interaktionswahrscheinlichkeit konnte ebenfalls offengelegt werden.
Insgesamt hat sich herausgestellt, dass die C2B-Domäne von Syt-1 mit mehreren Teilen zu Interaktionen mit der Membran fähig ist und es wahrscheinlich ist, dass auch andere Interaktionen als das Eintauchen der Ca2+- Bindungstaschen eine Rolle beim Prozess der Membranfusion spielen.

The transmission of an electrical signal from one neuron to another is the fundamental process for communication of brain and muscle. This neurotransmission happens at the synapse, where an electrical signal is converted into a chemical signal to overcome the synaptic cleft. Neurotransmitters are held in vesicles and released into the synaptic cleft via exocytosis upon stimulation by an action potential. First, the arriving action potential causes voltage-gated Ca2+-channels to open. The incoming Ca2+- ions bind to the Ca2+- sensor Synaptotagmin-1 (Syt-1), which facilitates membrane fusion between the vesicular and the presynaptic cell membrane. Syt-1 inserts into the presynaptic cell membrane and therefore causes the membrane to bend. The resulting curvature brings both membranes in close proximity and therefore helps to overcome the energy barrier for both membranes to fuse. A fusion pore opens up and the neurotransmitters move into the synaptic cleft via diffusion. (1, 11)
The interaction between Syt-1 and the membrane is believed to occur with its Ca2+- binding loops orientated towards the presynaptic cell membrane and furthermore them inserting into the membrane. (11, 12, 22) Syt-1 also holds the polybasic lysine stretch (K324, K325, K326, K327) and two arginine amino acids (R398, R399), which have been reported to interact with membranes as well. (23) However, the exact molecular interface between the membranes, Syt-1 and the also participating SNARE-complex, has not been finally determined yet. (34)
Up to now, the exact compositions of vesicular and presynaptic cell membrane remain unknown. Therefore, the influence of different types of membrane lipids on the process of membrane fusion triggered by Syt-1 needs to be further investigated. Especially PIP2 and cholesterol are believed to have major influence on the likelihood of binding and therefore on the process of neurotransmission itself. (23, 51)

In this diploma thesis, we present multiple coarse-grained free molecular dynamics (MD) simulations with the Synaptotagmin-1 C2B-domain and different types of membranes. We aimed to generate unbiased simulations in order to catch the proteins most favoured interactions. Therefore, we placed the C2B-domain between two membranes of the same composition and ran simulations of 500ns each. We settled for seven systems with different membrane compositions and executed them with two different structures of the Syt-1 C2B-domain. Using these final systems, we performed a total of 46 runs per protein, which accounts for a total of 46,80 microseconds.
Interestingly, the membrane insertion of the Ca2+-binding pockets was not observed. Instead, the most frequent interaction happened between the polybasic lysine stretch and PIP2. We showed a clear dependence on the membranes composition with regard to PIP2, as the likelihood of protein-membrane interaction increased with higher PIP2-concentration. Also, the influence of Ca2+ on the membrane and therefore on the probability of interaction was disclosed.
Taken together, we found proof that the Syt-1 C2B-domain is able to interact with multiple parts of its structure, which are likely to play an additional role in membrane fusion next to loops-first membrane insertion.