Auf Giften gründet eine der klassischen Entdeckungsstrategien der Neurobiologie. Meist entfalten toxische Stoffe nämlich ihre schädliche Wirkung im Organismus, indem sie sich an ein Protein binden und dessen Funktion hemmen. Wer ein Toxin hat, hat mithin im Prinzip auch das zugehörige Bindungsprotein und einen Hinweis auf dessen Rolle im Kommunikationssystem des Körpers. Der Neurobiologe sucht sich also ein Lebewesen mit einem möglichst starken Gift und zapft es ab. Weil aber Gifte oft Gemische aus Dutzenden bis Hunderten chemischer Verbindungen sind, muß er erst eine wirksame oder die wirksam-ste Komponente isolieren. Dieses Toxin markiert er dann mit radioaktiven Isotopen und arbeitet einen Bindungstest aus. Der zeigt Ort und Menge des Bindungsproteins an, das es dann nur noch zu isolieren und zu identifizieren gilt. Auf diese Weise entdeckte man mit Hilfe von alpha-Bungarotoxin und Dendrotoxin aus Schlangengift den nikotinischen Acetylcholinrezeptor beziehungsweise den Kaliumkanal (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1994, Seite 84). Toxine der Kegelschnecken lagern sich an den Calciumkanal und solche von Skorpionen an den Natriumkanal des Gehirns. Spinnen bieten ein riesiges Reservoir derartiger molekularer Sonden; denn die meisten der 30000 bekannten Arten vergiften ihre Beute. Dieser Schatz wurde bisher aber weitgehend ignoriert. Das liegt daran, daß Spinnengift schwer in guter Qualität und größeren Mengen zu bekommen ist. Kleineren Spinnen (bis zu 15 Millimeter Größe) kann man auf einmal höchstens 0,05 Milliliter Gift abzapfen, und dieses war vor der Entwicklung von geeigneten Melkmethoden zudem mit Verdauungssekreten und Speisebrei verunreinigt, weil sich die Giftdrüse, aus der es extrahiert wurde, dicht am Magen befindet. Am besten untersucht ist das Gift der Schwarzen Witwe (Latrodectus mactans oder tredecimguttatus), die in den Mittelmeerländern weit verbreitet ist. Die bis zu 15 Millimeter großen Weibchen tragen ein elegantes Schwarz, das auf dem kugeligen Hinterleib meist durch unregelmäßige rote Flecken aufgelockert ist (Bild). Zwar ist ihr Biß für Menschen selten tödlich, doch die von der Bißstelle ausstrahlenden Schmerzen können so stark werden, daß sich das Opfer schreiend und mit Schaum in den Mundwinkeln auf dem Boden wälzt. Die Verrenkungen und verzerrten Gesichtszüge der Gebissenen sollen der Tarantella, einem italienischen Tanz, zugrunde liegen. Die wirksame Substanz des Witwengiftes ist das a-Latrotoxin. Dieses Protein mit einem Molekulargewicht von 130000 stört die Übertragung von Nervensignalen an der Synapse, der Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen Nervenzelle und Muskel. Die Präsynapse – die Nervenendigung, an der das Signal ankommt – enthält Bläschen (Vesikel), die einen chemischen Botenstoff (Transmitter) enthalten. alpha-Latrotoxin bindet sich an ein Protein auf der präsynaptischen Membran. Daraufhin öffnen sich Kanäle in der Membran und lassen - und einströmen. Die sind das Signal für die synaptischen Vesikel, mit der präsynaptischen Membran zu verschmelzen und den Transmitter in den synaptischen Spalt auszuschütten. Bei einer Vergiftung mit alpha-Latrotoxin werden große Mengen Transmitter freigesetzt. Gleichzeitig verschwinden die synaptischen Vesikel aus der Nervenendigung, und am Ende ist die Signalübertragung blockiert. alpha-Latrotoxin ist kein Enzym und richtet keine Schäden an der Membran an. Auch dringt es nicht wie das Tetanustoxin in die Nervenendigung ein; es bildet aber Kanäle, die für durchlässig sind. Darum glaubte man zuerst, daß es die Bindungsstelle nur als Haftpunkt brauche, um sich an der Präsynapse festzuhalten; und giftig sei es, weil es anschließend in der Membran einen Kanal für bilde. Später zeigte sich jedoch, daß alpha-Latrotoxin auch dann Transmitter freisetzt, wenn kein Calcium in die Synapse einströmt. Demnach muß die Bindungsstelle für den Giftstoff direkt an der Transmitterausschüttung beteiligt sein. Es handelt sich dabei um ein Protein, das nur auf der präsynaptischen Membran vorkommt. Außer dem Calciumkanal und Syntaxin ist es das einzige präsynaptische Membranprotein, von dem man weiß, daß es an der Transmitterfreisetzung mitwirkt. Trotzdem beschäftigten sich nur wenige Arbeitsgruppen damit, weil das Spinnengift schwer zu beschaffen ist. Jahrelang dominierten italienische Forscher wie Jacopo Meldolesi von der Universität Mailand das Arbeitsgebiet. Heimo Scheer aus Meldolesis Labor berichtete denn auch 1985 als erster über die Anreicherung des alpha-Latrotoxin-Rezeptors. Wie er schrieb, vermochte er das Bindungsprotein in künstliche Bläschen aus Phosphatidylcholin und Cholesterin einzubauen; gab er alpha-Latrotoxin zu diesen Liposomen, wurden sie durchlässig für . Fünf Jahre später berichteten Alexander G. Petrenko und Juri A. Uschkar-jow vom Schemjakin-Institut in Moskau ebenfalls über die Reinigung des alpha-Latrotoxin-Rezeptors. Das Pikante daran: Ihr Bindungsprotein war nicht identisch mit dem von Scheer. Dabei hatten sie die gleiche Reinigungsstrategie benutzt, das heißt Membranextrakte, die den Rezeptor enthielten, zu Gelen gegeben, an die alpha-Latrotoxin fest gebunden war. Allerdings hatten sie das im Gel angereicherte Bindungsprotein anschließend schonender ausgewaschen. Der Hauptunterschied war aber wohl, daß Petrenko über viel Toxin verfügte. Er bezog es aus Zentralasien, wo an Schwarzen Witwen – und Sammlern – kein Mangel zu herrschen scheint. Dagegen mußte Scheer mit winzigen Mengen arbeiten, und zu seinem Pech starb sein einziger Sammler – so geht jedenfalls das Gerücht. Er vermochte daher nur kleine Mengen des alpha-Latrotoxin-Rezeptors anzureichern; rein gewinnen konnte er ihn nicht. Was er in dem Gemisch dann für das Bindungsprotein hielt, war in Wirklichkeit eine Verunreinigung. Mit dem richtigen Rezeptor wechselten Petrenko und Uschkarjow zum Hughes Medical Center in Houston (Texas). Ihr Moskauer Chef E.V. Grischin erlaubte ihnen, am alpha-Latrotoxin weiterzuarbeiten – eine großzügige Geste, wenn man bedenkt, daß Professoren die Themen ihrer Postdoktoranden gern als Privateigentum betrachten. In Houston konnten Uschkarjow und Petrenko Teile der Aminosäuresequenz des Rezeptors ermitteln. Mit einer danach konstruierten Gensonde entdeckten sie im letzten Jahr schließlich eine ganz neue Familie von etwa 100 Proteinen, die ausschließlich im Gehirn vorkommen: die Neurexine ("Journal of Biological Chemistry", Band 268, Heft 3, Seite 1860). Sie alle bilden sich aus nur zwei Genen, die aber mehrere Stellen enthalten, an denen mit dem Ablesen der Erbinformation begonnen werden kann; außerdem sind zwischen das Ablesen der genetischen Botschaft und ihre Umsetzung in ein Protein variable Bearbeitungsschritte eingeschaltet (Spleißen der Boten-RNA). Die Neurexine durchdringen die Membran von Neuronen; sie ragen mit einem kurzen Zipfel ins Zellinnere und mit einem langen Schwanz aus der Zelle heraus. Es gibt zwei Typen: Bei den alpha-Neurexinen besteht der extrazelluläre Schwanz aus drei sehr ähnlichen Abschnitten, deren Mitte jeweils weitgehend mit einer bestimmten Region im epidermalen Wachstumsfaktor übereinstimmt; die kürzeren beta-Neurexine enthalten dagegen nur einen halben derartigen Abschnitt. Die Funktion der Neurexine ist bisher noch unbekannt. Ihre Aminosäuresequenz ähnelt jedoch teilweise derjenigen von Agrin und Laminin; dies sind Proteine der extrazellulären Matrix, also jener Gerüststruktur, in der die Zellen aufgehängt sind. Agrin soll an der Bildung von Synapsen beteiligt sein. Laminin spielt dagegen vermutlich eine Rolle bei der Hirnentwicklung, indem es die sprossenden Axone (Nervenfasern) zu den richtigen Kontaktstellen leitet. Petrenko und Uschkarjow vermuten, daß die Neurexine Zellerkennungsmoleküle sind, aber auch an der Transmitterfreisetzung mitwirken. Schließlich kurbelt alpha-Latrotoxin durch Andocken an ein Neurexin diese Freisetzung an. Zudem bindet sich der alpha-Latrotoxin-Rezeptor im Reagenzglas an ein Membranprotein der synaptischen Vesikel, das Synaptotagmin. Die klassische Strategie der Neurobiologie bewährt sich also auch, wenn es darum geht, den Mechanismus der Transmitterfreisetzung aufzuklären. Mit Toxinen, die sich an die präsynaptische Membran heften, läßt sich nicht nur feststellen, welche Proteine an der Ausschüttung beteiligt sind, sondern auch deren Zusammenspiel erhellen. Dabei ist der Vorrat der Natur an präsynaptisch wirksamen tierischen Toxinen noch lange nicht ausgeschöpft. Wurden schon die der Spinnen bisher kaum genutzt, so liegen die Giftreservoire der Milben und Zecken, die ebenfalls zu den Spinnenartigen (Arachnoideen) zählen, gar völlig brach. Etliche Milbenarten (zum Beispiel Pyemotes tritici) verfügen über Neurotoxine, und von den 800 bekannten Zeckenspezies sind rund 50 giftig; ein einziges Exemplar der australischen Zecke Ixodes holocyclus kann zum Beispiel einen Schäferhund lähmen. Weil diese Tiere so klein sind, wirft die Arbeit mit ihren Toxinen zwar noch größere logistische Probleme auf. Wer sie nicht scheut, hat jedoch die Chance, in wissenschaftliches Neuland vorzustoßen. Vielleicht bieten sich sogar wirtschaftliche Möglichkeiten: Arbeitslose Biochemiker mit Unternehmungsgeist könnten ihr Glück mit der Produktion von Arachnoideen-Toxinen versuchen. Meines Wissens gibt es weltweit bisher nur eine kommerzielle Spinnen- und keine einzige Milben- oder Zeckenfarm.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1994, Seite 16
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