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Der Acetylcholin-Rezeptor

Die Aufklärung eines der wichtigsten Empfängermoleküle für Neurotransmitter ermöglicht tieferen Einblick in die Steuerung der chemischen Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Viele der gefundenen Eigenschaften sind weit verbreitet; sie treten zum Beispiel im Säugetiergehirn ebenso auf wie im elektrischen Organ des Zitterrochens|, und sie gelten ähnlich auch für etliche andere Rezeptorarten.

Schon 1904 meinte der britische Wissenschaftler T.R. Elliot, Nervenzellen würden außer elektrischen auch chemische Signale austauschen und auf diese Weise zudem mit anderen Zelltypen Kontakt haben. Der elektrische Impuls (das Aktionspotential) eines erregten Neurons sollte es veranlassen, bestimmte Substanzen freizusetzen.

Heute nennt man diese Stoffe Neurotransmitter, und man weiß, daß die dadurch angeregte Empfängerzelle bestimmte Ionen (elektrisch geladene Moleküle) aufnimmt oder ausstößt. Daraufhin ändert sich die elektrische Ladung an ihrer Außenmembran, und schließlich entsteht ein neuer elektrischer Impuls.

Ungefähr 50 verschiedene solche Überträgerstoffe sind bislang identifiziert, wobei das einzelne Neuron gleich mehrere davon ausschütten kann. Es war nicht einfach, den Wirkmechanismus dieser Botenmoleküle zu ergründen, besonders was ihre Funktionsweise im Gehirn betrifft. Wie beeinflussen sie den Ionentransport, und wie kommt infolgedessen das neue Signal zustande?

Allmählich hat man in den letzten 25 Jahren aber doch immer mehr Aspekte dieser komplizierten Vorgänge aufklären können, unter anderem in meinem Laboratorium am Pasteur-Institut in Paris. So kennt man inzwischen die herausragende Rolle, die dabei Rezeptormolekülen zukommt, die aus der Zellmembran der Empfängerzelle ragen und helfen, die chemische Botschaft wieder in ein elektrisches Signal zu verwandeln. Wir wissen sogar bereits teilweise, wie manche wichtigen Rezeptoren dies bewerkstelligen. Sie gehören – auch dies war eine überraschende Erkenntnis – zu einer bedeutenden Überfamilie: den sogenannten neurotransmitter-kontrollierten Ionenkanälen, denn sie alle reagieren zum einen auf die Botenstoffe und haben zum anderen einen Tunnel, den Ionen passieren können.


Hilfe durch Gifte und Drogen

Viele der Erkenntnisse über diese Moleküle stammen aus den siebziger und achtziger Jahren, insbesondere solche über einen Rezeptor, der zuerst aus dem elektrischen Organ von Fischen isoliert worden war (Bild 2). Eigentlich begann die Aufklärung aber schon Jahrzehnte früher, denn bereits 1906 hatte John Newport Langley von der Universität Cambridge in England vermutet, Körpergewebe enthielte Rezeptoren für Arzneimittel, Drogen und Gifte. Damit legte er den Grundstein für die Erforschung der Wirkung von Neurotransmittern.

Langley hatte die Angriffsweise des Pfeilgiftes Curare untersucht, das die Atmung des Opfers lähmt. Die Frage war, ob es die motorischen Nerven für die Atemmuskeln oder die Muskeln selbst blockiert. So stimulierte Langley ein Skelettmuskelpräparat eines Huhns zunächst mit Nikotin, und zwar an einer Stelle, wo sonst motorische Nerven ansetzen, die den Muskel aktivieren. Er löste dadurch wie erwartet eine heftige Kontraktion aus. Dann verabreichte er an derselben Stelle Curare, und der Muskel erschlaffte. Daraus folgerte der Forscher, das Pfeilgift wirke direkt auf das Muskelgewebe; dieses müsse auf der Oberfläche "eine besonders erregbare Komponente" tragen, eine "rezeptive (empfängliche) Substanz", die sich sowohl mit Curare als auch mit Nikotin zu verbinden vermag.

Mittlerweile ist bekannt, daß beide Stoffe sich gerade dort anlagern, wo – an der Verbindungsstelle zwischen Nerv und Muskel (der motorischen Endplatte) – an sich der Neurotransmitter Acetylcholin an seinen Rezeptor andockt. Ebenso wie dieser im Körper produzierte Botenstoff wirkt Nikotin stimulierend, als Aktivator oder Agonist, das Curare hingegen als Blocker oder Antagonist; selbst erzeugt das Gift keinerlei Erregung im Muskel, unterbindet aber die Wirkung der stimulierenden Stoffe.

So bestechend das Rezeptor-Konzept war – seine tatsächliche Bedeutung wurde lange nicht erkannt. Es fehlten die Techniken, um Rezeptoren zu isolieren. Vor allem aber konnte man sich schwer vorstellen, wie ein Stoff dadurch, daß er sich an Rezeptormoleküle auf einer Zelloberfläche anlagert, den Ionenfluß durch Membrankanäle beeinflussen sollte.

Während meiner Doktorarbeit Mitte der sechziger Jahre fand ich einen ersten theoretischen Ansatz zur Lösung des Problems. Wenige Jahre zuvor hatten Strukturuntersuchungen des Blutfarbstoffs Hämoglobin und einiger Enzyme erkennen lassen, daß diese Moleküle wohl mehrere verschiedene Bindungsstellen zum Anlagern anderer Substanzen haben. Zusammen mit meinen Lehrern Jacques Monod und François Jacob (Nobelpreisträgern von 1965) sowie ihrem Kollegen Jeffries Wyman schlug ich als Erklärung vor, daß bestimmte Enzyme indirekt, nämlich allosterisch, aktiviert würden: Durch eine Bindung an einer Stelle des Moleküls sollte eine andere Stelle neue Eigenschaften erhalten, ohne daß zusätzliche Energie erforderlich wäre. Nach dieser Vorstellung ändert die erste Bindung die Konformation, also die räumliche Struktur des Enzyms, so daß die zweite Bindungsstelle – die für das vom Enzym umzusetzende Substrat – reaktionsbereit wird.

In meiner Dissertation deutete ich kurz an, daß Rezeptoren für Neurotransmitter möglicherweise ähnlich funktionierten – daß sie vielleicht sowohl eine transmitterbindende Region hätten als auch eine, die einen Ionenkanal bildet. Wenn der Neurotransmitter an die Bindungsstelle andockt, würde dadurch das Molekül seine Konformation so ändern, daß die Kanalkomponente sich öffnet.

Diese These ließ sich nur prüfen, wenn man den Aufbau eines Rezeptors im Detail kannte. Bis dahin war solch ein Molekül aber nicht einmal isoliert worden, was also zunächst zu tun war.

Welchen Rezeptor sollten wir wählen? Aus den Arbeiten von David Nachmansohn, der Ende der dreißiger Jahre nach seiner Flucht aus Deutschland an der Sorbonne in Paris forschte, wußten wir, daß Acetylcholin nicht nur Muskeln zur Kontraktion bringt, sondern auch die elektrischen Organe (umgewandelte Muskelzellen) bestimmter Fische dazu veranlaßt, Stromstöße zu erzeugen. Die Spannung aufbauenden Zellen, die Elektrocyten, sind sehr groß und deshalb vergleichsweise gut experimentell zu handhaben. Außerdem trägt jedes elektrische Organ Unmengen von Acetylcholin-Rezeptormolekülen dicht bei dicht.

Wir beschlossen, diesen Rezeptor aus dem elektrischen Organ des Zitteraals (Elektrophorus electricus) zu isolieren. Dabei arbeitete ich mit Michiki Kasai zusammen, der nun an der Universität Osaka (Japan) tätig ist. Für die chemische Analyse mußten wir das Gewebe zunächst zerkleinern und dann Membranstücke der innervierten Regionen heraussuchen. Günstigerweise schließen solche Membranfetzen sich von selbst zu winzigen Bläschen – Vesikeln – zusammen, die man mit radioaktiven Natrium- und Kalium-Ionen anfüllen kann, um dann die elektrischen Vorgänge an der Membran zu beobachten und experimentell zu untersuchen.

Die Präparate funktionierten wunschgemäß: Wie bei einem intakten Elektrocyten änderte sich der Ein- und Ausstrom von Ionen durch die Membran nach Zugabe von Acetylcholin auch bei den Vesikeln drastisch. Die Rezeptoren schienen also unversehrt geblieben zu sein. Wir konnten zudem nachweisen, daß der zweite Schritt – die Öffnung des Ionenkanals – tatsächlich keine zusätzliche Energie verbrauchte, mithin ein allosterischer Effekt vorlag.

Damals war die einzig mögliche Methode, ein Molekül auf einer Membran kenntlich zu machen und von anderen zu unterscheiden, es mit einer sich daran anlagernden radioaktiven Substanz zu markieren. Allerdings mußte sie sich fester daran binden als das Acetylcholin.

Im Frühjahr 1970 war gerade Chen-Yuan Lee von der Staatlichen Universität Taiwan in Taipeh in unserem Labor und berichtete von seinen Studien über Chemie und Wirkungsweise von Schlangengiften. Bestimmte Moleküle im Gift einer Kobra etwa oder eines Bungars (diese auch Kraits genannten, meist bunt geringelten Nattern leben in Südostasien) blockieren, ähnlich wie Curare, die Signalübertragung von den Motoneuronen auf die Muskulatur. Zu ihnen gehören die Alpha-Toxine. Wie Lee erläuterte, vermag das Alpha-Bungarotoxin des Vielbindenbungars bei höheren Wirbeltieren die Wirkung von Acetylcholin an den Muskeln praktisch irreversibel zu unterbinden. Dieses extrem starke Gift war für unsere Experimente der geeignete Markierungsstoff. Die Proben, die Lee uns zur Verfügung stellte, legten sich vorzüglich an die Rezeptoren an.

Damit ließen diese sich nun rein darstellen und schließlich auch näher bestimmen. Daß der Rezeptor ein Protein war, hatten wir bald herausgefunden. Im Jahre 1974 war dann auch seine Struktur grob aufgeklärt, wozu andere Arbeitsgruppen beitrugen. Wir selbst wandten die Affinitätschromatographie an, eine spezifische Form der Adsorptionschromatographie: Wir entwickelten unlösliche Kügelchen mit molekularen Armen, an deren Ende ein Strukturanaloges von Curare hing, das sich an die Rezeptormoleküle fest anheften sollte. Mit diesen Kügelchen wurden die Trennsäulen beschickt. Bevor wir die Membranvesikel hinzugaben, behandelten wir sie mit einem Detergens, damit die verschiedenen Sorten von Molekülen sich voneinander lösten. Bei dem Trennverfahren wurden dann die Rezeptoren in der Säule festgehalten, alle übrigen Membranbestandteile hingegen durchgespült – wir brauchten jetzt nur noch die gesuchten Moleküle auszuwaschen, indem wir die Kügelchen mit einer zusätzlichen Dispersion des Curare-Analogen spülten, so daß die Rezeptoren sich an diese Moleküle in Lösung banden, und den Curare-Rezeptor-Aufschluß dann durch eine Membran zu filtern, die nur das Curare-Analoge durchließ. Somit hatten wir reine Acetylcholin-Rezeptoren gewonnen.

In einer ersten Untersuchung im Elektronenmikroskop, die Jean Cartaud vom Jacques-Monod-Institut in Paris durchführte, sah das Molekül von oben aus wie eine Rosette mit vertiefter Mitte. Wie Arthur Karlin von der Columbia-Universität in New York und Michael Raftery vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena herausfanden, setzt es sich aus fünf Proteinketten (oder -untereinheiten) zusammen: zwei Alpha-Ketten mit identischer Masse und je einer Beta-, Gamma- und Delta-Kette von unterschiedlichem Molekulargewicht (Bild 1 und Kasten auf Seite 87). Karlin konnte zudem nachweisen, daß primär die Alpha-Untereinheiten für die Erkennung von Acetylcholin zuständig sind. (Heute steht fest, daß der Ionenkanal sich nur öffnet, wenn die Bindungsstelle beider Alpha-Ketten besetzt ist.)

Ordneten sich die fünf Untereinheiten etwa rund um einen zentralen Ionenkanal, der quer durch die Membran führt? Sah man im elektronenmikroskopischen Bild quasi in den Tunneleingang außen auf der Zelle? Um dies zu klären, mußten wir wissen, ob die isolierten acetylcholin-bindenden Moleküle überhaupt gleichzeitig Ionenkanäle waren.

Gerald L. Hazelbauer und ich bauten also 1974 in Vesikel aus Lipid-Membranen, die Lösungen von radioaktivem Natrium beziehungsweise Kalium einschlossen, zunächst gereinigte Membranstücke mit den Rezeptoren ein, später dann auch die gereinigten Rezeptormoleküle allein. In beiden Versuchen löste die Zugabe von Acetylcholin einen Ionenfluß aus, der sich durch Curare sowie Alpha-Bungarotoxin wieder blockieren ließ. Im Jahre 1980 stand somit endlich fest, daß der Rezeptor tatsächlich eine Doppelfunktion hat: Außer den Bindungsstellen für Acetylcholin weist er einen Ionenkanal auf, und er verfügt offenbar über einen Mechanismus, die beiden Funktionen zu verbinden.


Genetische Analysen

Um diese Prozesse genauer zu verstehen, mußte man die Sequenz der Bausteine kennen – des Strangs von Aminosäuren, der sich zu einem Protein zusammenknäult. Schon diese Anordnung läßt wegen des unterschiedlichen Verhaltens der einzelnen Aminosäuren auf die räumliche Konfiguration des Moleküls schließen und gleichzeitig auf bestimmte chemische Eigenschaften des gefalteten Proteins. Auch kann man daran einiges über die Funktion von einzelnen Domänen erkennen.

Zu der Zeit standen bereits Techniken zur Verfügung, die solche Analysen wesentlich erleichtern. So konnten Anne Devillers-Thiéry, Donny Strosberg und ich 1979 die ersten 20 Aminosäuren an einem Ende (dem sogenannten Aminoende) der Alpha-Untereinheit aufklären, und zwar vom Acetylcholin-Rezeptor des Marmor-Zitterrochens (Torpedo marmorata). Im wesentlichen die gleiche Abfolge bestimmten später Raftery, Leroy E. Hood und ihre Kollegen vom Caltech für den Kalifornischen Zitterrochen (T. californica). Mehr noch: Die 54 endständigen Aminosäuren am Aminoende der vier Typen von Untereinheiten waren, wie sie feststellten, wider Erwarten zu 35 bis 50 Prozent identisch, also homolog.

Dies bedeutet vermutlich, daß die für diese Untereinheiten codierenden Gene ursprünglich auf ein- und dasselbe Erbmolekül zurückgehen, das sich später zweimal verdoppelt haben muß, und die Abkömmlinge sind dann im Verlauf der Generationen mutiert. Die sich immer noch sehr ähnlichen Genprodukte arrangieren sich heute symmetrisch um eine zentrale Achse, eben den Ionenkanal.

Im Jahre 1983 hatte das Team von Shosaku Numa an der Universität Kioto (Japan) die gesamten Sequenzen der vier Sorten von Untereinheiten des Rezeptors vom Kalifornischen Zitterrochen aufgeklärt. Die Sequenz der Gamma-Kette hatten auch drei andere Labors gefunden, darunter wir.

Diese Gruppen steuerten zudem die Sequenz der Alpha-Untereinheit vom Marmor-Zitterrochen bei. Später veröffentlichte Numa auch die Sequenzen aller Untereinheiten des Acetylcholin-Rezeptors im menschlichen Muskel; wie sich zeigte, unterscheidet das Molekül sich wenig von dem im elektrischen Organ von Rochen.

Jede der Untereinheiten enthält einen langen hydrophilen Abschnitt am Aminoende sowie vier getrennte hydrophobe Segmente aus je ungefähr 20 Aminosäuren (M1 bis M4, vom Aminoende aus gezählt; Kasten auf Seite 87). Hydrophobe Bereiche stoßen Wasser ab und haben eine Affinität zu Lipiden, aus denen etwa Zellmembranen aufgebaut sind; hydrophile Bereiche verhalten sich umgekehrt, tendieren also hin zu wäßrigen Lösungen, wie sie im Innern und in den Zwischenräumen von Zellen vorliegen. Demnach war zu vermuten, daß sich die Kette mit den wasserabstoßenden Abschnitten viermal quer durch die Membran legt und das hydrophile Ende herausragt.

Nach einem Modell, das sich später bestätigte, sollte die lange hydrophile Region am Anfang der Kette außerhalb der Zelle liegen. Diese Stelle an den beiden Alpha-Ketten, die ja hauptsächlich für das Ergreifen des Acetylcholinmoleküls zuständig sind, wäre damit eine ideale Bindungsstelle für den Neurotransmitter. Es schien zudem plausibel, daß von den vier die Membran durchziehenden Segmenten aus jeder Untereinheit jeweils eines in der Mitte der Rosette liegt und mit den vier anderen – gleichen – zusammen den Ionenkanal bildet; es entstünde quasi ein schlankes Faß aus fünf Dauben.


Unterschiedliche Reaktionen

Die Sequenzierung der Untereinheiten half die Verwirrung lösen, die bis dahin über das Verhalten von Acetylcholin-Rezeptoren herrschte, die man Anfang der achtziger Jahre im Gehirn höherer Wirbeltiere gefunden hatte. Von den auf Nikotin ansprechenden (nikotinischen) Rezeptoren ließ sich merkwürdigerweise offenbar nur ein Teil mit Alpha-Bungarotoxin blockieren. Auch ein anderes Gift derselben Schlange, das neuronale Bungarotoxin, verhielt sich selektiv, indem es sich nur an bestimmte Gehirnrezeptoren band. (An sich verhält es sich noch komplizierter: Das Gehirn enthält außerdem muscarinische Acetylcholin-Rezeptoren – sie sprechen auf Muscarin, ein Pilzgift, an, bestehen lediglich aus einem einzelnen Proteinfaden und haben keinen Ionenkanal. Sie benutzen zur Signalübermittlung intrazelluläre Botenstoffe wie G-Proteine.)

James W. Patrick, Stephen F. Heinemann und ihre Kollegen am Salk-Institut für Biologische Forschung in San Diego (Kalifornien) sowie Marc Ballivet von der Universität Genf konnten auch von diesen Gehirnrezeptoren die Aminosäuresequenzen ermitteln. Dabei leitete sie die Vermutung, daß die Abfolge trotz teilweise unterschiedlichen Verhaltens ähnlich sein könnte wie die der Rezeptoren von Muskeln oder elektrischen Organen. Falls das zutraf, müßten auch die für die Proteine codierenden Gene sich ähneln. Dann aber wäre es nicht schwierig, diese Gene aus Gehirnaufschlüssen herauszufischen: Als Angel sollten die genetischen Sequenzen dienen, die man aus der Abfolge der Proteinbausteine in den Rezeptormolekülen vom elektrischen Organ des Rochens bereits kannte.

Die Methode heißt DNA-Hybridisierung. Man macht sich dabei zunutze, daß die Nucleotid-Bausteine der DNA eine Kette bilden, die sich bereitwillig mit einer zweiten – komplementären – zu einem Doppelstrang zusammenlegt. (Im Genom gibt es deshalb praktisch nur Doppelstränge.) Gleiches geschieht im Experiment, wenn der andere Strang von einem verwandten Gen herrührt. Tatsächlich fanden sich in Wirbeltiergehirnen einschließlich denen von Menschen sieben Typen der Alpha-Untereinheit sowie drei weitere, die meist als Beta-Untereinheit klassifiziert werden. Die unterschiedliche Reaktion auf Schlangengift hing vermutlich mit dieser Variationsbreite zusammen: mit geringen Abweichungen in der Abfolge der Aminosäuren in einer oder auch mehreren der Untereinheiten eines Rezeptors.

Als man die Gene für die Untereinheiten einzeln oder wahlweise kombiniert in Zellen einpflanzte (in der Regel nimmt man Eizellen des südamerikanischen Krallenfrosches), entstanden durchaus funktionsfähige, typisch rosettenförmige Rezeptoren aus fünf Untereinheiten. Wie sich zeigte, gelingt dies mit fast allen Untereinheiten – vorausgesetzt, wenigstens eine Alpha-Variante und eine andere sind vorhanden.

Man konnte so auch experimentell austesten, wie die Rezeptoreigenschaf-ten sich ändern, wenn man Varianten von Untereinheiten gegeneinander austauscht. Zum Beispiel blockierte das zweite (neuronale) Bungarotoxin zwar Rezeptoren, die aus Beta-2- sowie entweder aus Alpha-3- oder aus Alpha-4-Untereinheiten bestanden, nicht aber solche aus Beta-2- und Alpha-2-Untereinheiten.


Verwandtschaft unter Rezeptoren

Gleichzeitig wurden damals Rezeptoren für andere Neurotransmitter chemisch analysiert. Zu aller Erstaunen glichen der Rezeptor für Gamma-Aminobuttersäure (GABA) und der für Glycin in vielem dem für Acetylcholin. Denn schließlich schleust der erregte nikotinische Acetylcholin-Rezeptor positiv geladene Ionen (Kationen wie das Natrium- und das Kalium-Ion) durch die Membran, die Rezeptoren für GABA und Glycin sind hingegen für das negativ geladene Chlorid-Anion zuständig; außerdem verhindert der Einstrom von Chlorid-Ionen in die Zelle gerade, daß ein elektrischer Impuls entsteht – diese Rezeptoren können somit den Effekten erregender (exzitatorischer) Rezeptoren entgegenwirken.

Trotzdem haben sowohl der GABA- als auch der Glycin-Rezeptor nicht nur ebenfalls mehrere Untereinheiten (was noch nicht so verblüffend wäre), sondern die hydrophoben und hydrophilen Domänen sind auffallend ähnlich darin verteilt wie im nikotinischen Acetylcholin-Rezeptor (Bild 3). Dies stellten Heinrich Betz, der damals an der Universität Heidelberg arbeitete, und Eric A. Barnard vom britischen Medizinischen Forschungsrat in Cambridge fest, als sie die vollständigen Sequenzen entschlüsselten. Es lag nahe, daß auch diese Moleküle sich so verknäulen, daß sie viermal die Membran durchspannen. Auch schienen sie gleichermaßen eine Bindungsstelle für den Neurotransmitter und einen Ionenkanal zu haben.

Neueren Arbeiten zufolge dürften auch einige Serotonin-Rezeptoren so aussehen. Sie wirken wie der für Acetylcholin erregend auf die Zelle, schleusen mithin Kationen durch die Membran. All diese Rezeptoren faßt man heute in einer Überfamilie von genetisch und strukturell verwandten neurotransmitter-kontrollierten Ionenkanälen zusammen. (Die Rezeptoren für den häufigen Neurotransmitter Glutamat scheinen entfernter zu stehen: Auch sie haben eine Bindungsstelle für den Neurotransmitter und einen Ionenkanal, unterscheiden sich aber im Aufbau.)

Es gibt jetzt auch konkrete Hinweise auf das allosterische Verhalten dieser Proteine. Wie man in dem Fall erwar- ten sollte, liegen Neurotransmitter-Bindungsstelle und Ionenkanal sehr weit auseinander – etwa 30 Ångström (3 millionstel Millimeter). Und die Untereinheiten variieren: Ein GABA-Rezeptor mag in der einen Hirnregion etwas anders aussehen und funktionieren als in einer anderen. So verstärken Benzodiazepine (etwa das Beruhigungsmittel Valium) die hemmende Wirkung des aktivierten Rezeptormoleküls auf die Zelle nur bei bestimmten Rezeptorsorten; sie binden sich dazu an eine andere Region im Molekül als die Gamma-Aminobuttersäure.

Je besser man all diese Details kennt, desto eher dürfte es möglich sein, spezifisch wirksame Medikamente zur Behandlung verschiedenster hirnorganischer Störungen und seelisch-geistiger Erkrankungen zu entwickeln. Außerdem ließen sich vielleicht auch neue Mittel etwa gegen die Zerstörung von Hirngewebe nach einem Schlaganfall oder sogar gegen den geistigen Zerfall bei der Alzheimer-Krankheit finden.

Dazu muß man wiederum einen Rezeptor in allen Einzelteilen kennen. Um eine bestimmte Bindungsstelle oder eine sonstwie wirksame Struktur in einem Molekül auszumachen, kann man zum Beispiel ein sich dort fest anlagerndes Molekül markieren und so die beteilig-ten Aminosäuren identifizieren. Micha-el Dennis, Jérôme Giraudat, Jean-Luc Galzi und mir gelang das an dem von uns isolierten Acetylcholin-Rezeptor des Zitterrochens mit einer Substanz namens DDF oder p-(N,N-Dimethyl)aminobenzoldiazoniumfluoroborat. Für deren Bindung sind, wie wir dabei herausfanden, mehrere aromatische Aminosäuren bedeutsam (solche Aminosäuren enthalten Ringstrukturen). Gleichzeitig konnten wir Karlins Beobachtung bestätigen, daß eine (Disulfid-)Bindung von zwei Cysteinmolekülen vorliegt. Die markierten Aminosäuren befinden sich in drei getrennten Abschnitten in der langen hydrophilen Domäne am Aminoende der Untereinheiten. Sie bilden zusammen eine Einsenkung mit negativer Ladung, so daß der positiv geladene Bereich des Acetylcholinmoleküls darin aufgenommen werden könnte (Kasten auf Seite 87 Mitte).

Daß die markierten Aminosäuren tatsächlich für die Rezeptorfunktion entscheidend sind, wiesen wir dann zusammen mit Daniel Bertrand von der Universität Genf nach. Ein künstlich hergestellter Rezeptor nur aus Alpha-7-Untereinheiten aus dem Gehirn des Huhns (eine der Ausnahmen der Regel, daß auch noch irgendwelche anderen Untereinheiten enthalten sein müssen) reagierte nicht mehr mit Acetylcholin, als wir die beim Zitterrochen – und offenbar auch beim Huhn – bindenden Aminosäuren austauschten. Dies alles bestätigte endgültig, daß das lange hydrophile Ende der Alpha-Untereinheit aus der Zelle herausragen muß, dort das von der signalisierenden Nervenzelle ausgeschüttete Acetylcholin abfängt und das Öffnen des Ionenkanals steuert.


Der Ionenkanal

Mit ähnlichen Markierungsverfahren wurde auch – und zwar zuerst beim Rezeptor am elektrischen Organ des Zitterrochens – die Struktur des Ionenkanals von Acetylcholin aufgeklärt. Es kostete einige Mühe, bis wir Ende 1985 zeigen konnten, daß das dämpfende Neuroleptikum Chlorpromazin sich an Aminosäuren des hydrophoben Segments M2 zumindest der Delta-Untereinheit anlagert. Dies und ein ähnlicher Befund von Ferdinand Hucho und seinen Mitarbeitern an der Freien Universität Berlin ließen vermuten, daß der Ionenkanal wohl von den M2-Segmenten der fünf Untereinheiten ausgekleidet ist.

Dies bestätigten Numa und Bert Sakmann, der damals am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen arbeitete, indem sie gezielt Aminosäuren austauschten. (Sakmann, nun am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg tätig, erhielt 1991 zusammen mit seinem ehemaligen Göttinger Kollegen Erwin Neher den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.) Sie fanden im Kanal mindestens drei Ringe aus fünf negativ geladenen Aminosäuren, die offenbar zum Transport der (positiven) Ionen beitragen. Die Aminosäuren gehören, wie erwartet, zu den M2-Regionen. Sie ordnen sich jeweils parallel zur Zellmembran an, wobei je ein Ring direkt am Ein- beziehungsweise Ausgang des Kanals zu liegen kommt (der innere heißt intermediärer Ring) und der dritte nahe vor der inneren Öffnung bereits im Zellinnenraum (Kasten auf Seite 87 unten rechts; siehe auch "Die Erforschung von Zellsignalen mit der Patch-Clamp-Technik" von Erwin Neher und Bert Sakmann, Spektrum der Wissenschaft, Mai 1992, Seite 48).

Wäre bei den anderen, doch offenbar ähnlich konstruierten Rezeptorarten – für GABA, Glycin und Serotonin – der Ionenkanal ebenfalls aus den M2-Segmenten gebildet? Wie unsere Nachforschung erbrachte, ist dies tatsächlich der Fall, obwohl sie negativ statt positiv geladene Ionen durchlassen. Anscheinend kommt das unterschiedliche Verhalten durch wenige andere Aminosäuren zustande: Als Bertrands und meine Arbeitsgruppe in den Alpha-7-Rezeptor drei Aminosäuren von der M2-Untereinheit eines GABA-Rezeptors – dabei die für den intermediären Ring – einfügten, verwandelte der Kationenkanal sich in einen Anionenkanal.

Die wichtigste Funktion eines solchen Rezeptors ist, mag er nun für Anionen oder Kationen durchlässig sein, daß der Ionenkanal sich auf das Signal des Neurotransmitters hin öffnet – und auch hier gab es eine Überraschung. Offenbar vermag das Molekül seine Konformation so zu ändern, daß es auf den Botenstoff verschieden stark anspricht. Dies scheint ein Mechanismus zu sein, um das Angebot an Rezeptoren, die gegenüber bestimmten Außenreizen empfindlich sind, und somit die Effizienz der Signalübertragung zu regulieren.

Wir stießen auf dieses Phänomen, als wir untersuchen wollten, wieso die Rezeptoren eigentlich in verschiedenen Situationen so unterschiedlich reagieren: Ein einzelner hochdosierter Stoß Acetylcholin hat einen anderen Effekt als eine stets vorhandene geringe Konzentration. Diese schon länger beobachtete Erscheinung konnte sich bis dahin niemand recht erklären.

Der erste Fall ist der normale bei Nervenimpulsen. Das erregte Neuron entläßt auf einen Schub eine größere Menge des Transmitters in den Spalt der Synapse, an der das Signal an die nachfolgende Nervenzelle weitergegeben wird, und viele dieser Moleküle treffen dann auf Rezeptoren auf der gegenüberliegenden Seite des Spaltes. Normalerweise haben die Rezeptoren nur eine schwache Affinität zu dem Transmittermolekül, so daß dieses sich gleich wieder löst, wenn der Kanal sich geöffnet hat. Der Transmitter wird dann unverzüglich abgebaut. Es dauert nur Millisekunden, bis die Kanäle wieder geschlossen und die Rezeptoren erneut reaktionsbereit sind.

Setzt man dagegen im Experiment die Rezeptoren unablässig dem Botenstoff aus, verlieren sie allmählich ihre Reaktionsbereitschaft. Zunächst antworten sie noch mit Öffnen des Kanals, doch bald werden sie gleichsam träge: Sekunden- oder auch minutenlang sprechen sie kaum noch an. In diesem desensibilisierten Zustand lagern sie zwar durchaus bereitwillig Acetylcholin an, lassen den Kanal aber geschlossen. Selbst wenn die Botenstoffmoleküle nur in geringen Mengen vorhanden sind, bleiben sie nun lange haften.

Demnach nehmen Acetylcholin-Rezeptoren mindestens drei ineinander umwandelbare Zustände ein: die Ruhe, in der sie leicht zu aktivieren sind, indem der Kanal sich sofort öffnet, wenn sich an beide Alpha-Untereinheiten ein Botenmolekül anbindet, ferner die Phase bei geöffnetem Kanal und schließlich die desensibilisierte, geschlossene Konformation trotz Vorhandensein von Acetylcholin (Bild 4). Zwischen diesen drei Positionen wechselt der Rezeptor auch spontan, jedoch bei vorhandenem Transmitter in anderem Ausmaß.

An der Desensibilisierung scheint, so fanden wir heraus, die Aminosäure Leucin beteiligt zu sein. Wir konnten mit Chlorpromazin einen Ring von ungeladenen Leucinresten nahe beim Zentrum des Ionenkanals markieren (Kasten auf Seite 87 unten). Zusammen mit der Gruppe von Bertrand haben wir den Ring durch einen mit einer kleineren, ungeladenen Aminosäure ersetzt. Der neue Rezeptor ging eine feste Bindung mit Acetylcholin ein, nicht anders als ein normales desensibilisiertes Molekül – nur war sein Ionenkanal im Gegensatz zu diesem permanent geöffnet. Vermutlich hält normalerweise der Leucinring den Ionenkanal im desensibilisierten Zustand verschlossen.


Anpassungsfähigkeit

Warum sind Rezeptoren flexibel? Sicherlich schützt dies vor Übererregung. Aber vielleicht – diese Idee äußerten 1982 mein Kollege Thierry Heidmann und ich – dient die Fähigkeit zum allmählichen Wechsel der Konformation normalerweise auch dazu, die Signalübertragung an der Synapse bei Bedarf langsam zu steigern oder zu drosseln. Dann wären die Rezeptoren womöglich an Lernprozessen beteiligt, für die viele Wissenschaftler in Anlehnung an ein Modell des Lernforschers Donald O. Hebb von der McGill-Universität in Montreal (Kanada) annehmen, daß sich unter bestimmten Bedingungen die Stärke der Signalübertragung an Synapsen ändert (Spektrum der Wissenschaft, November 1992, Seite 66, und November 1993, Seite 54).

Diese Hypothese ist bisher reine Spekulation, aber falls die Flexibilität der Rezeptorantwort für die Kontrolle der Signalübertragung tatsächlich bedeutsam ist, müßte gleiches eigentlich auch bei anderen Rezeptorarten vorkommen. Und wirklich scheinen GABA-, Glycin- und Serotonin-Rezeptoren ebenfalls einen desensibilisierten Zustand zu haben.

Dort, wo die Rezeptormoleküle sitzen, und so wie sie sitzen, vermögen sie die Antwortstärke ohnehin jederzeit besonders gut zu kontrollieren: Weil sie zu beiden Seiten aus der Zellmembran ragen, sind sie chemischen und elektrischen Signalen sowohl von inner- wie außerhalb der Zelle ausgesetzt (Bild 5). Man könnte sich vorstellen, daß jedes dieser Signale das Molekül in eine bestimmte Konformation drängt und daß der schließlich eingestellte Zustand aus der Verrechnung all der teils gegenläufigen Einflüsse resultiert.

Unter anderem wirken auf die Rezeptoren die Calcium-Ionen-Konzentration in der Zelle und Änderungen des elektrischen Potentials über der Zellmembran. Eine Hyperpolarisation der Membran (die nach einer elektrischen Erregung und der dadurch bedingten Umkehr der Spannung auftritt) und die Erhöhung der Calciumkonzentration im Muskel bewirken, daß die Desensibilisierung des Acetylcholin-Rezeptors rascher geschieht. 1986 beobachteten Richard L. Huganir und Paul Greengard von der New Yorker Rockefeller-Universität gleiches, wenn der Rezeptor phosphoryliert wird (wobei sich energieübertragende Phosphatgruppen anlagern).

Ein flexibel reagierender Rezeptor sollte gegenüber dem Transmitter nicht nur unempfindlicher, sondern umgekehrt auch sensibler werden können, und dies hat man in der Tat beobachtet. Extrazelluläres Calcium beispielsweise verstärkt die Reaktion des nikotinischen Acetylcholin-Rezeptors im Gehirn, Glycin die von Glutamat-Rezeptoren. Auch sonst dürfte sich die momentane Erregbarkeit eines Rezeptors auf die jeweiligen chemischen oder elektrischen Signale einpendeln und bei deren Wechsel immer wieder verändern.

Unser Verständnis der chemischen Signalübertragung zwischen Neuronen im Gehirn hat sich in den letzten Jahrzehnten und besonders in jüngster Zeit enorm vertieft. Sicherlich war es ein Wagnis, mit der Erforschung des Acetylcholin-Rezeptors bei elektrischen Fischen zu beginnen. Aber das Unterfangen war schließlich viel lohnender, als sich damals absehen ließ. Es gelang, den Rezeptor erstmals zu isolieren und seinen chemischen Aufbau zu bestimmen. Im weiteren Verlauf war die Gentechnologie eine entscheidende Hilfe. Ihren Methoden ist zu verdanken, daß man nun die teils eng verwandten Rezeptoren in Muskulatur und Gehirn des Menschen schon recht gut versteht und daß man selbst funktionell andere Rezeptorarten untersuchen konnte, die dem Acetylcholin-Rezeptor überraschend ähneln.

Nicht zuletzt für die medizinische Anwendung ist die Erkenntnis wichtig, daß selbst ein bestimmter Rezeptortyp in benachbarten Gehirnteilen unterschiedlich funktionieren kann. Wahrscheinlich wird man bald sehr gezielt Medikamente entwickeln können, die hochselektiv ganz bestimmte Hirnfunktionen unterstützen beziehungsweise bei Störungen helfen.

Literaturhinweise

- Der neuronale Mensch. Wie die Seele funktioniert – die Entdeckungen der neuen Gehirnforschung. Von J.P. Changeux. Rowohlt, Reinbek1984.

– Functional Architecture and Dynamics of the Nicotinic Acetylcholine Receptor: An Allosteric Ligand-Gated Ion Channel. Von J.P. Changeux in: FIDIA Research Foundation Neuroscience Award Lectures. Band 4, Raven Press, 1990.

– Explorations of the Nicotinic Acetylcholine Receptor. Von A. Karlin in: Harvey Lectures: 1989 bis 1990, Band 85, Seiten 71 bis 107, 1991.

– The Functional Architecture of the Acetylcholine Nicotinic Receptor Explored by Affinity Labelling and Site-Directed Mutagenesis. Von J.P. Changeux und anderen in: Quarterly Reviews of Biophysics, Band 25, Heft 4, Seiten 395 bis 432, November 1992.

– Nicotine Acetylcholine Receptor at 9 Å Resolution. Von N. Unwin in: Journal of Molecular Biology, Band 229, Heft 4, Seiten 1101 bis 1124, 20. Februar 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994

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