Neurobiologie – Die Chemie der Erinnerung

Gedächtnisleistungen hinterlassen im Gehirn Spuren: Lernen und Erinnern sind nur möglich, weil die Verbindungen zwischen Nervenzellen – die Synapsen – fortwährend umgebaut werden. Die Baupläne für die dafür notwendigen Moleküle werden von sogenannten Boten-RNAs (mRNA) zielgerichtet zu den Synapsen transportiert.

Der LMU-Biochemiker Michael Kiebler hat bereits in früheren Studien gezeigt, dass das mRNA-Bindeprotein Staufen2 dabei eine essenzielle Rolle spielt. Wie die molekularen Vorgänge im Gehirn sich in vivo auf das Lernen auswirken, ist allerdings noch unzureichend verstanden.

Nun ist Kiebler ein entscheidender Durchbruch gelungen: In Kooperation mit Dusan Bartsch (Universität Heidelberg) und spanischen Kollegen konnte er erstmals direkt nachweisen, dass ein Staufen2-Mangel das Gedächtnis auf spezifische Weise beeinträchtigt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Genome Biology.

Für ihre Untersuchungen entwickelten die Wissenschaftler in langjähriger Arbeit ein Tiermodell, in dem mithilfe von Antibiotika Staufen2 selektiv in Nervenzellen des Vorderhirns, insbesondere im Hippocampus, ausgeschaltet werden kann. In Verhaltensexperimenten testeten die Wissenschaftler dann das räumliche, zeitliche und assoziative Gedächtnis, mit dem abstrakte Inhalte verknüpft und abspeichert werden – also die Gedächtnisleistungen, die im Hippocampus verarbeitet werden.

Dabei zeigte sich, dass ohne Staufen2 bestimmte Funktionen gestört sind. „Das generelle Langzeitgedächtnis funktioniert zwar, die Ratten lernen beispielsweise, wo sich eine Futterquelle befindet“, sagt Kiebler. „Aber wenn das Gelernte erst nach längeren Wartezeiten abgerufen wird, ist die Gedächtnisleistung der Mutanten signifikant schlechter als die der Wildtypen.“

Ohne Staufen2 verändern sich die Zellmorphologie und die Synapsenfunktion. Mithilfe elektrophysiologischer Messungen analysierten die Wissenschaftler die Signalübertragung an den Synapsen und fanden, dass der Staufen2-Mangel die sogenannte Langzeit-Potenzierung (LTP) steigert und die sogenannteLangzeit-Depression (LTD) verhindert.

Unter LTP versteht man einen Mechanismus, der die Signalübertragung dauerhaft verstärkt und die Verknüpfung zwischen Synapsen festigt. Der gegenläufige Mechanismus LTD dagegen vermindert die Signalübertragung und entkoppelt bereits bestehende Verknüpfungen wieder. Grundsätzlich scheint die Synapse bei Staufen2-Mangel also leichter erregbar zu sein.

„LTP wird als zelluläres Modell für das Lernen angesehen, aber unsere Ergebnisse legen nahe, dass nicht nur die Anzahl der potenzierten Synapsen, sondern auch das richtige Verhältnis von LTP und LTD wichtig ist“, sagt Kiebler. Diese Balance ist ohne Staufen2 offensichtlich gestört. Die Wissenschaftler vermuten, dass zu viele Synapsen sehr stark potenziert und damit zu wenig reprimiert vorliegen. Das könnte dazu führen, dass Informationen, die normalerweise langfristig gespeichert werden, frühzeitig destabilisiert oder möglicherweise sogar entfernt werden.

„Mit unserer Arbeit ist es uns zum ersten Mal gelungen, ein Molekül – das RNA-Bindeprotein Staufen2 – mit der Funktion einer Synapse und dem Lernverhalten im Tier in Verbindung zu bringen“, schließt Kiebler. „Dieser Ansatz ermöglicht uns völlig neue Einblicke in die molekularen Mechanismen des Lernens.“
Genome Biology 2017

Publikation:
Forebrain specific, conditional silencing of Staufen2 alters synaptic plasticity, learning and memory in rats
Stefan M. Berger, Iván Fernández-Lamo, Kai Schönig, Sandra M. Fernández Moya, Janina Ehses, Rico Schieweck, Stefano Clementi, Thomas Enkel, Sascha Grothe, Oliver von Bohlen und Halbach, Inmaculada Segura, José María Delgado-García, Agnès Gruart, Michael A. Kiebler and Dusan Bartsch
Genome Biology 2017
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-017-1350-8

Kontakt:
Professor Michael Kiebler
BioMedizinisches Centrum
Lehrstuhl Zellbiologie (Anatomie III)
Tel: (089) 2180 75 884
E-Mail: michael.kiebler@med.uni-muenchen.de
http://www.zellbio.anatomie.med.uni-muenchen.de/about_us/prof_kiebler/index.html