Dendriten als Proteinfabriken

News: Dendriten als Proteinfabriken

Neugierig strecken die Nervenzellen ihre baumartig verzweigten Ausläufer in die Umgebung und suchen "Körperkontakt" zu benachbarten Artgenossen. Mit Hilfe dieser filigranen Antennen, den Dendriten, kommunizieren die Neuronen miteinander und empfangen chemisch verschlüsselte Signale. Doch die winzigen Verästelungen übermitteln nicht nur wichtige Informationen, in ihnen werden auch Proteine hergestellt.

Ulrike Knoll

Ein Netzwerk aus rund 100 Milliarden Nervenzellen durchzieht unser Gehirn und befähigt es, hochkomplexe Verhaltensreaktionen hervorzurufen. Erstaunlicherweise sind die Grundeinheiten unserer "Steuerzentrale" jedoch recht einfach aufgebaut: Aus dem Zellkörper der Neuronen entspringen neben einem einzigen röhrenförmigen Fortsatz, dem Axon, meistens zahlreiche, unverzweigte oder baumförmig verästelte, unterschiedlich lange Ausläufer, die so genannten Dendriten. Diese bauen ein vernetztes, rasches Kommunikationssystem auf, indem sie chemische Impulse empfangen und weiterleiten.

Doch die hauchdünnen Auswüchse leisten offenbar noch mehr. Frühere Studien deuteten bereits darauf hin, dass Bruchstücke von Dendriten Proteine herzustellen vermögen. Wenn sich diese Vermutung bewahrheitete, könnten die Verästelungen vermutlich auch die Stärke von Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen und damit die neuronale Aktivität – einschließlich des Lern- und Erinnerungsvermögens – beeinflussen, spekulierten die Forscher.

Erin M. Schuman vom Howard Hughes Medical Institute und ihre Kollegen vom California Institute of Technology konnten nun die Proteinsynthese in intakten Neuronen nachweisen. Dazu konstruierten sie ein spezielles Gen, das unter anderem für ein grün fluoreszierendes Protein codierte. Diese Erbinformation schleusten die Wissenschaftler als "Berichterstatter" vor Ort in die Nervenzellkulturen von Ratten ein und lösten mit dem Wachstumsfaktor BDNF die Proteinsynthese aus. Und tatsächlich bildeten die Dendriten das fluoreszierende Protein, wie Aufnahmen der Neuronen nach der BDNF-Behandlung enthüllten. Dies zeigte, dass die Proteinsynthese wirklich ablief.

In einem weiteren Schritt behandelten die Forscher die Nervenzellen mit einer Substanz, welche die Eiweißherstellung unterbindet, und siehe da, das verräterische Leuchten verschwand. Um auszuschließen, dass die Proteine möglicherweise aus dem Zellkörper in die feinen Verästelungen vordringen, trennte das Team um Schuman die Dendriten vom restlichen Neuron. Wie sich herausstellte, fand auch noch in den isolierten Verzweigungen eine Proteinsynthese statt.

Zusätzlich veränderten die Wissenschaftler ihren Marker derart, dass sich das fluoreszierende Protein in der Zellmembran verankerte. Anschließend bestrahlten sie die Zellkörper mit Laserlicht, das jegliche leuchtenden Proteine vernichtete. Das noch immer vorhandene Fluoreszenz-Signal in den Dendriten belegte zweifelsfrei, dass sie tatsächlich Proteine produzieren. Und diese Fähigkeit stufen die Forscher als sehr effizient und ökonomisch ein. "Der Vergleich zu zentralen und dezentralen Frachttransporten liegt nahe", erläutert Schuman. "Bei der zentralen Verteilung benötigt man viele Lastwagen, die von einem Ort aus die ganze Stadt beliefern, während bei dezentralen Strukturen mehrere Verteilungsstellen existieren, die weniger Verkehrsaufkommen bedeuten."

Als die Forscher das markante Leuchten im Laufe der Zeit verfolgten, konnten sie sogar beobachten, dass die Signale stets an den gleichen Stellen in den Dendriten auftraten und wieder verschwanden. "Die lokale Proteinsynthese könnte die verdickten Kontaktstellen von Neuronen, die Synapsen, befähigen, spezifische Veränderungen zu durchlaufen – eine wichtige Eigenschaft von informationsspeichernden Systemen", betont Schuman. "Die Beobachtung von 'hot spots' befindet sich im Einklang mit dieser Vermutung, denn lokale Proteinfabriken nahe Synapsen könnten benachbarte Kontaktstellen mit Eiweißstoffen beliefern." Nun wollen die Wissenschaftler ihr Nachweisverfahren in komplexeren Gehirnstrukturen und Mäusen anwenden, um die Rolle der Proteinsynthese bei der Informationsverarbeitung und dem Verhalten der Tiere zu untersuchen.