Nervenzellen entwickeln während ihres Wachstums einen langen Fortsatz – das Axon – sowie mehrere kurze fein verzweigte Fortsätze – die Dendriten. Das Axon selbst wiederum bildet einen Wachstumskegel mit fußartigen und fühlerartigen Ausläufern aus, mit deren Hilfe sich die Nervenzelle ihren Weg durch das Gewebe bahnt oder sich mit anderen Nervenzellen zu einem Nervensystem verbindet. Andere Zellen, mit denen die wandernde Zelle in Berührung kommt, weisen ihr dabei den Weg, indem sie kurz an die Nervenzelle binden und diese dann wieder abstoßen. Dadurch fällt der Wachstumskegel des Axons in sich zusammen, die Ausläufer ziehen sich zurück, und nach einer Regenerierungsphase sucht sich das Axon einen neuen Weg.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried untersuchen bereits seit längerem, mit welchen Mechanismen die Nervenzellen untereinander Kontakt aufnehmen. Im Zentrum ihrer Forschung stehen dabei zwei spezielle Protein-Gruppen, die Ephrin-Liganden und die Eph-Rezeptoren, die wie ein Schlüssel zu seinem Schloss ineinander passen.

Über eine Verankerung in der Zellmembran sitzen diese Proteine fest auf der Oberfläche der Zellen, die sich begegnen. Jeweils ein Ephrin-Ligand der "wegsuchenden" Zelle kann mit einem Eph-Rezeptor einer "wegweisenden" Zelle binden oder umgekehrt. Sie bilden dabei einen Ephrin/Eph-Komplex, eine feste Verbindung, über die das Rezeptorprotein – wie eine Antenne – ein Signal in das Innere der Zelle weitergibt, auf der es sitzt. Dadurch werden zelluläre Prozesse ausgelöst, die schließlich zur Abstoßung der beiden Zellen voneinander führen. Die endgültige Trennung der Zellen wird dann durch das Auflösen des Ephrin/Eph-Komplexes ausgelöst.

Manuel Zimmer und seine Kollegen haben nun bei ihren Experimenten mit Zellkulturen von Nerven-, Bindegewebs- und Krebszellen entdeckt, dass die Aufnahme des Ephrin/Eph-Komplexes durch Endocytose erst die Voraussetzung für die Abstoßung der Zellen bildet. Endocytose ist ein Vorgang, mit dem Zellen gelöste Proteine, Partikel aus ihrer Umgebung in Membranen einschließen und in sich aufnehmen. Doch dass Proteine, die in einer Zellmembran verankert sind, durch die Komplexbildung mit anderen Proteinen aus der Membran gelöst und dann durch Endocytose in beide Nachbarzellen einverleibt werden können, ist völlig neu.

Wie die Wissenschaftler herausfanden, kann die Endocytose in beide Richtungen erfolgen und sowohl in den "wegsuchenden" also auch in den "wegweisenden" Zellen Signalketten im Innern auslösen. Dabei sorgt die vorwärts gerichtete Endocytose in die Zelle, die den Rezeptor bildet, bei Kontakten zwischen Nervenzellen für die Ablösung des Axons von der wegweisenden Zelle und den Rückzug der Zellausläufer. Die rückwärts gerichtete Endocytose in die Zelle, die den Liganden bildet, dagegen bewirkt, dass der Wachstumskegel des Axons selbst in sich zusammenfällt. Welche der beiden Endocytose-Arten überwiegt, hängt von verschiedenen Bedingungen der Umgebung ab, jedoch sind für eine effiziente Abstoßung offensichtlich beide Arten der Endocytose wichtig.

Die Max-Planck-Forscher konnten ihre Beobachtungen unter dem Mikroskop mit mehrstündigen Videoaufnahmen dokumentieren, indem sie die Ephrin-Liganden und Eph-Rezeptoren mit fluoreszierenden Proteinen markierten. Gleichzeitig filmten sie die Kontaktaufnahme der Zellen im Phasenkontrastlicht. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler parallel sowohl die ganzen Zellen als auch das Schicksal ihrer Ephrin/Eph-Rezeptoren genau verfolgen.

In ihren Ergebnissen sehen die Wissenschaftler einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Zell-Zell-Kontakte sowie deren Funktion bei der Wanderung von Zellen während der Entwicklung eines Organismus. Arbeitsgruppenleiter Rüdiger Klein ist überzeugt: "Mit diesen Zeitrafferaufnahmen erreichen wir eine neue Ebene der Analyse, die uns bei zukünftigen entwicklungsbiologischen Untersuchungen sehr hilfreich sein wird."