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Lexikon der Neurowissenschaft: Membranfusion

Membranfusion w, E membrane fusion, fundamentales Phänomen des Verschmelzens zweier Membranen bei Zellteilung und -fusion, aber auch intrazellulär bei Vorgängen der Exocytose und Endocytose. Der grundlegende Mechanismus der Membranfusion, gekennzeichnet durch das Andocken einer Membran, z.B. eines Vesikels, an die Zielmembran und die nachfolgende Fusion der Membranen, kommt an verschiedenen Stellen innerhalb der Zelle im Rahmen des vom endoplasmatischen Reticulum ausgehenden Vesikeltransports vor, so z.B. im Golgi-Apparat, oder bei der Abgabe von Neurotransmittern an Synapsen. Der molekulare Mechanismus der Vesikelanlagerung, der bisher an Nervenzellen am besten charakterisiert wurde, unterscheidet sich dabei von dem der eigentlichen Fusion ( siehe Zusatzinfo ).

Membranfusion

Im Ruhezustand werden die synaptischen Vesikel über Synapsine (Proteinfamilie mit vier Vertretern Ia, Ib, IIa, IIb) in das Zellskelett (Actinskelett; Actinfilament) der Nervenendigung eingebunden. Der Einstrom von Calcium durch spannungsabhängige Calciumkanäle führt zur Phosphorylierung durch die Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II und nachfolgender Konformationsänderung des Synapsins und damit zur Entlassung der Vesikel. Verschiedene Membranproteine der synaptischen Vesikel, der präsynaptischen Membran und des Cytoplasmas bilden bei dem nun folgenden Andockvorgang einen Proteinkomplex (Exocytose, Abb.): die Vesikelproteine Synaptophysin, Synaptotagmin und Synaptobrevine, die präsynaptischen Plasmamembranproteine Syntaxin und Neurexine und die cytoplasmatischen Proteine NSF (N-Ethylmaleinimid-sensitives Fusionsprotein) und SNAP (soluble NSF attachment protein, lösliche NSF-Anheftungsproteine; insbesondere SNAP-25, ca. 25 kD). NSF liefert durch ATP-Hydrolyse die für die Membranfusion notwendige Energie. SNAP ist ein lösliches Protein, das nur in Assoziation mit NSF an die Membran binden kann. Beide Proteine findet man in allen Zellen, in denen Vesikel mit ihrer Zielmembran verschmelzen; sie interagieren nach der Öffnung nahegelegener Calciumkanäle in noch nicht ganz verstandener Weise mit den sogenannten Donorproteinen (Synaptobrevine, auch v-SNARE genannt, SNARE steht für SNAP-Rezeptor) und Rezeptorproteinen (Syntaxine, in Verbindung mit SNAP-25 auch t-SNARE) der Vesikel- und Plasmamembran und bilden sehr schnell die Fusionspore aus. Die Spezifität des Andockvorgangs wird durch eine Reihe von Rab-Proteinen (Rab3a und Rab3b, monomere GTPasen) vermittelt, die überprüfen, ob ein v-SNARE und ein t-SNARE auf Vesikel- und Zellmembran komplementär sind und die gezielte Bewegung der Vesikel in Richtung der Anlagerungsstellen, unter Benutzung von Actin als Schiene, vermitteln. Die entstandene Fusionspore, eine enge cytoplasmatische Brücke zwischen Vesikelmembran und Plasmamembran an der aktiven Zone, verbindet das Vesikelvolumen mit dem extrazellulären Raum und wird während der Exocytose ausgeweitet. Daneben wird das Annexin II, ein calciumbindendes Protein, für die calciumabhängige Exo- und Endocytose mitverantwortlich gemacht; es bindet calciumabhängig an Membranen und kann möglicherweise Ca2+-Kanäle bilden. Proteine der 14-3-3-Genfamilie (Exo1 und 2) stimulieren ebenfalls die Exocytose. Proteinkinase C reguliert die Exocytose durch Phosphorylierung von Substratproteinen. Sie bindet wie das Ca2+-bindende Protein Syntagmin, das wahrscheinlich als Sensor für die intrazelluläre Ca2+-Konzentration fungiert, an RACK (receptor for activated C-kinase).

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