Turbolader für Nervenzellen

Im dichten Verkehr ein hupendes Auto lokalisieren, beim TV-Zappen zwischen Fußball und Krimi nicht völlig den Überblick verlieren oder am Ende eines gelesenen Satzes den Anfang nicht vergessen – das alles sind für uns ganz alltägliche Fähigkeiten.

Sie erlauben es uns, auf schnell wechselnde Umstände zu reagieren und selbst komplexe Tätigkeiten korrekt durchzuführen. Damit das funktioniert, müssen die Schaltkreise aus Nervenzellen in unserem Gehirn sehr flexibel sein. Einen wichtigen molekularen Mechanismus, der Nervenzellen zu solchen Anpassungskünstlern macht, haben jetzt Forscher der beiden Göttinger Max-Planck-Institute für experimentelle Medizin und biophysikalische Chemie unter der Leitung der Neurobiologen Nils Brose und Erwin Neher entdeckt.

Nervenzellen kommunizieren miteinander an spezialisierten Zell-Zell-Kontakten, den Synapsen. Zuerst wird eine sendende Nervenzelle erregt und schüttet Botenstoffe aus, so genannte Neurotransmitter. Diese Signalmoleküle gelangen dann zur Empfängerzelle und beeinflussen deren Aktivitätszustand. Der Prozess der Transmitterausschüttung ist hoch komplex und stark reguliert. Hauptakteure sind synaptische Vesikel, kleine von einer Membran umhüllte Bläschen, die mit Neurotransmittern beladen sind und diese durch Verschmelzung mit der Zellmembran freisetzen. Um jederzeit auf eine Stimulation mit der Freisetzung von Transmittern antworten zu können, muss eine Nervenzelle an jeder ihrer Synapsen eine bestimmte Menge schnell freisetzbarer Vesikel bereithalten. Die molekularen Grundlagen dieser Vorratshaltung ist seit Jahren Gegenstand der Forschungsarbeiten von Brose.

Dass es sich dabei nicht bloß um ein akademisches Problem handelt, erklärt Brose so: „Die Zahl der akut freisetzbaren Vesikel einer Synapse entscheidet über deren Zuverlässigkeit. Gibt es zu wenige davon und werden diese zudem noch zu langsam nachgeliefert, ermüdet die entsprechende Synapse bei dauerhafter Belastung sehr schnell. Das Gegenteil ist der Fall, wenn eine Synapse bei Belastung schnell weitere akut freisetzbare Vesikel nachliefern kann. Dann kann es sogar passieren, dass eine Synapse bei dauerhafter Aktivierung besser wird.“

Diese Anpassungsfähigkeit von Synapsen ist in fast allen Nervenzellen zu beobachten. Sie wird als Kurzzeitplastizität bezeichnet und ist für eine Vielzahl extrem wichtiger Hirnprozesse unverzichtbar. Ohne sie könnten wir keine Geräusche lokalisieren, wäre Kopfrechnen unmöglich, und die Schnelligkeit und Flexibilität, mit der wir unser Verhalten ändern und unsere Aufmerksamkeit auf neue Ziele richten können, wäre dahin.

Brose und seine Mitarbeiter hatten bereits vor Jahren ein Protein mit dem kryptischen Namen Munc13 entdeckt, das nicht nur für die Nachlieferung akut freisetzbarer Vesikel an Synapsen unabdingbar ist, sondern zudem durch die Aktivität von Nervenzellen so reguliert wird, dass der Nachschub an Vesikeln dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Diese Regulation erfolgt durch einen Komplex aus dem Signalmolekül Calmodulin und Kalzium-Ionen, die sich bei starker Nervenzellaktivität in den Synapsen ansammeln.

„Unsere früheren Arbeiten an einzelnen Nervenzellen in Kulturschalen zeigten, dass der Kalzium-Calmodulin-Komplex Munc13 aktiviert und so dafür sorgt, dass akut freisetzbare Vesikel schneller nachgeliefert werden“, so Noa Lipstein, eine israelische Gastwissenschaftlerin in Broses Labor. „Aber viele Kollegen waren nicht davon überzeugt, dass dieser Prozess auch in Nervenzellen im intakten Gehirn eine Rolle spielt.“

Deshalb hat Lipstein zusammen mit ihrem japanischen Kollegen Takeshi Sakaba eine mutante Maus erzeugt, deren Munc13-Proteine genetisch so verändert sind, dass sie nicht mehr durch Kalzium-Calmodulin-Komplexe aktiviert werden können. Die Effekte dieser genetischen Manipulation untersuchten die beiden Neurophysiologen zunächst an Synapsen, die an der Schalllokalisation beteiligt sind und typischerweise mehrere hundert Mal pro Sekunde aktiviert werden. „Unsere Studie zeigt, dass die dauerhafte Leistungsfähigkeit von Synapsen in intakten Nervenzellnetzwerken auf kritische Weise von der Aktivierung von Munc13 durch Kalzium-Calmodulin-Komplexe abhängt“, erläutert Lipstein.

Von der Bedeutung ihrer Studie sind die Göttinger Wissenschaftler überzeugt, denn schließlich wurden der für die synaptische Kurzzeitplastizität verantwortliche Kalziumsensor und dessen Zielprotein von führenden Neurowissenschaftlern in der Vergangenheit schon als 'Heiliger Gral' bezeichnet. „Ich gehe davon aus, dass wir einen molekularen Schlüsselmechanismus der Kurzzeitplastizität entdeckt haben, der in allen Synapsen im Gehirn eine Rolle spielt, und nicht nur in kultivierten Nervenzellen, wie viele Kollegen bisher glaubten“, ist sich Lipstein sicher. Und wenn sie mit der Interpretation ihrer Befunde wirklich Recht behält, dann könnte Munc13 sogar ein ideales pharmakologisches Ziel für Medikamente sein, die die Gehirnleistung beeinflussen.

Originalpublikation:
Dynamic control of synaptic vesicle replenishment and short-term plasticity by Ca2+-Calmodulin-Munc13-1 signaling.
Lipstein, N., Sakaba, T., Cooper, B.H., Lin, K.-H., Strenzke, N., Ashery, U., Rhee, J.-S., Taschenberger, H., Neher, E. und Brose, N.
Neuron, 13. Juni 2013

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Nils Brose
Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
Telefon: +49 551 3899-725
E-Mail: brose@­em.mpg.de

Dr. Noa Lipstein
Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin
Telefon: +49 551 3899-697
E-Mail: lipstein@­em.mpg.de