News: Neuronaler Umbau
Um etwas lernen und speichern zu können, verändern die verantwortlichen Nervenzellen in erstaunlich schnellem Rhythmus einen Teil ihrer Proteinausstattung. Bei neuronalen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson scheint dieser Proteinumbau abweichend zu funktionieren.
Milliarden von Nervenzellen sind im menschlichen Gehirn miteinander zu einem gewaltigen Informationssystem verschaltet. Damit die wandernden Nachrichten von einem Neuron zum nächsten gelangen können, rücken die Nervenzellen im Bereich der so genannten Synapse dicht zusammen. Hier beträgt der Abstand zwischen der präsynaptischen Membran der Senderzelle und der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle nur noch den Bruchteil eines Mikrometers.
Winzige Moleküle, die neuronalen Botenstoffe, überbringen die Nachricht quer durch den schmalen Spalt und lösen an der empfangenden Nervenzelle einen fördernden oder hemmenden Impuls aus; abhängig vom Botenstoff. Aber die einmal geknüpfte Verbindung zwischen Nervenzellen ist nicht zwangsläufig von Dauer. Wenn wir lernen, Dinge im Gedächtnis speichern, verändern sich stetig Verknüpfungen zwischen den Zellen im Gehirn.
Zum einen kann sich die Form einer Nervenverbindung ändern, wenn die Zellen während des Lernvorgangs aktiv sind. Auch die auf der postsynaptischen Membran sitzenden Empfängermoleküle für die Botenstoffe bewegen sich. Sie treten beim Umbau der Zellen aus der Membran hervor und verschwinden dort wieder. "Aber was die Arbeit der Vergangenheit nicht gezeigt hat, ist, wie die vielen Komponenten dieser Maschinerie miteinander agieren", sagt der Neurobiologe Michael Ehlers vom Medical Center der Duke University.
"Unser Ziel war es, einen Schritt zurückzutreten und auf das Muster von Proteinanhäufung und -verlust zu schauen, statt nur ein Molekül auf einmal zu untersuchen", beschreibt er das Vorgehen seiner Arbeitsgruppe. Um einen Gesamteindruck des Proteinumbaus in aktiven Nervenzellen zu erlangen, entwickelten die Wissenschaftler eine Technik, mit der sie ablesen konnten, welche Proteine eine Zelle gerade herstellte. So konnten sie 30 unterschiedliche Proteine gleichzeitig isolieren und quantifizieren.
Die Massenanalyse offenbarte ein festgelegtes Muster des Proteinumbaus in den hierzu kultivierten embryonalen Rattenneuronen. Erstaunlicherweise agierten die Proteine hierbei nicht als Individualisten, sondern ganze Gruppen oder Ensembles reagierten gemeinsam, wenn die Nervenzelle aktiv war. Noch bemerkenswerter war die Entdeckung, dass in ihrer Aktivität blockierte Nervenzellen das spiegelbildliche Proteinmuster aufwiesen.
Auch den für den Proteinumbau verantwortlichen Mechanismus konnten Ehlers und sein Team aufspüren. Die zelluläre Müllabfuhr, bestehend aus dem Marker Ubiquitin und dem "Schredder" Proteasom, sorgt für die Umwandlung der Proteinausstattung einer lernenden Nervenzelle: Soll ein Protein abgebaut werden, erhält es ein Signal – ihm wird das Molekül Ubiquitin angeheftet. So kenntlich gemacht, gelangt es zum Multienzymkomplex Proteasom, wo es in seine Einzelteile zerlegt wird.
Besonders überraschend war für die Forscher, dass Nervenzellen ihr Proteinmuster nicht im Tagesrhythmus wechseln, sondern viel, viel öfter. Mehrmals am Tag können sie die Proteinzusammenstellung im Bereich der Synapse ändern. Da stellt sich die Frage, wie Nervenverknüpfungen überhaupt halbwegs stabil bleiben, bei diesem ständigen Auf und Ab.
Bei neuronalen Erkrankungen wie der Alzheimer- oder Parkinson-Krankheit scheint die Umgestaltung außer Kontrolle geraten zu sein. Einen möglichen Hinweis darauf bieten die hohen Konzentrationen des Markers Ubiquitin in Nervenzellen von Betroffenen. Vielleicht liegen in der zu starken Markierung und dem daraus resultierenden Abbau benötigter Proteine die Ursache der degenerativen Erkrankungen. "Meine Hoffnung ist, das solche grundlegenden Einblicke zu Therapien führen werden, mit denen die Defekte frühzeitig geheilt werden können," sagt Ehlers.
Winzige Moleküle, die neuronalen Botenstoffe, überbringen die Nachricht quer durch den schmalen Spalt und lösen an der empfangenden Nervenzelle einen fördernden oder hemmenden Impuls aus; abhängig vom Botenstoff. Aber die einmal geknüpfte Verbindung zwischen Nervenzellen ist nicht zwangsläufig von Dauer. Wenn wir lernen, Dinge im Gedächtnis speichern, verändern sich stetig Verknüpfungen zwischen den Zellen im Gehirn.
Zum einen kann sich die Form einer Nervenverbindung ändern, wenn die Zellen während des Lernvorgangs aktiv sind. Auch die auf der postsynaptischen Membran sitzenden Empfängermoleküle für die Botenstoffe bewegen sich. Sie treten beim Umbau der Zellen aus der Membran hervor und verschwinden dort wieder. "Aber was die Arbeit der Vergangenheit nicht gezeigt hat, ist, wie die vielen Komponenten dieser Maschinerie miteinander agieren", sagt der Neurobiologe Michael Ehlers vom Medical Center der Duke University.
"Unser Ziel war es, einen Schritt zurückzutreten und auf das Muster von Proteinanhäufung und -verlust zu schauen, statt nur ein Molekül auf einmal zu untersuchen", beschreibt er das Vorgehen seiner Arbeitsgruppe. Um einen Gesamteindruck des Proteinumbaus in aktiven Nervenzellen zu erlangen, entwickelten die Wissenschaftler eine Technik, mit der sie ablesen konnten, welche Proteine eine Zelle gerade herstellte. So konnten sie 30 unterschiedliche Proteine gleichzeitig isolieren und quantifizieren.
Die Massenanalyse offenbarte ein festgelegtes Muster des Proteinumbaus in den hierzu kultivierten embryonalen Rattenneuronen. Erstaunlicherweise agierten die Proteine hierbei nicht als Individualisten, sondern ganze Gruppen oder Ensembles reagierten gemeinsam, wenn die Nervenzelle aktiv war. Noch bemerkenswerter war die Entdeckung, dass in ihrer Aktivität blockierte Nervenzellen das spiegelbildliche Proteinmuster aufwiesen.
Auch den für den Proteinumbau verantwortlichen Mechanismus konnten Ehlers und sein Team aufspüren. Die zelluläre Müllabfuhr, bestehend aus dem Marker Ubiquitin und dem "Schredder" Proteasom, sorgt für die Umwandlung der Proteinausstattung einer lernenden Nervenzelle: Soll ein Protein abgebaut werden, erhält es ein Signal – ihm wird das Molekül Ubiquitin angeheftet. So kenntlich gemacht, gelangt es zum Multienzymkomplex Proteasom, wo es in seine Einzelteile zerlegt wird.
Besonders überraschend war für die Forscher, dass Nervenzellen ihr Proteinmuster nicht im Tagesrhythmus wechseln, sondern viel, viel öfter. Mehrmals am Tag können sie die Proteinzusammenstellung im Bereich der Synapse ändern. Da stellt sich die Frage, wie Nervenverknüpfungen überhaupt halbwegs stabil bleiben, bei diesem ständigen Auf und Ab.
Bei neuronalen Erkrankungen wie der Alzheimer- oder Parkinson-Krankheit scheint die Umgestaltung außer Kontrolle geraten zu sein. Einen möglichen Hinweis darauf bieten die hohen Konzentrationen des Markers Ubiquitin in Nervenzellen von Betroffenen. Vielleicht liegen in der zu starken Markierung und dem daraus resultierenden Abbau benötigter Proteine die Ursache der degenerativen Erkrankungen. "Meine Hoffnung ist, das solche grundlegenden Einblicke zu Therapien führen werden, mit denen die Defekte frühzeitig geheilt werden können," sagt Ehlers.
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