Neurobiologie: Kontaktpflege

Über Synapsen kommunizieren die Nervenzellen nicht nur miteinander, sie sind auch die zentralen Stellen für Lernen und Gedächtnis. Denn wenn sich diese Kontakte in ihrer Struktur und Funktion verändern, entscheiden sie mit darüber, was wir uns merken und was nicht. Die dafür verantwortlichen molekularen Vorgänge blieben bislang noch rätselhaft.

Nervenzellen empfangen Signale von anderen Neuronen über weit verzweigte Ausläufer, die Dendriten, die den Ästen eines Baumes ähneln. Die eingehenden Informationen werden im Körper der Zelle verrechnet und über das Axon, einem langen Fortsatz der Zelle, an nachgeschaltete Nervenzellen weitergegeben. Jeder Kontakt zwischen Nervenzellen erfolgt an hoch spezialisierten Bereichen, den Synapsen. Diese Kontaktstellen leiten Informationen nicht nur passiv weiter. Sie können sich auch – je nach Input – verändern und so neue Gedächtnisinhalte speichern.

Nervenzelle mit intakten Synapsen | Nervenzelle mit intakten Synapsen: Im Mikroskop erscheinen die Synapsen von einer Nervenzelle des Hippocampus als kleine, pilzförmige Ausstülpungen.

Eine Synapse besteht aus zwei Teilen: Einer entspringt dem Axon der sendenden Zelle, der andere einem Dendriten des empfangenden Neurons. Beide Teile verfügen über eine spezielle Ausstattung an Molekülen, die sie klar vom Rest der Zelle unterscheiden. Darüber hinaus können diese Kontaktstellen durch eingehende Signale sowohl ihre Struktur als auch ihre Eigenschaften verändern. In Dendriten entstehen diese Veränderungen unter anderem erst dann, wenn bestimmte Proteine an der Synapse hergestellt werden.

Wichtige Voraussetzung für diese Proteinsynthese ist jedoch, dass die entsprechenden Boten-RNAs, welche die Informationen über den Bauplan des zu produzierenden Proteins enthalten, tatsächlich zu dieser Synapse gelangen. Dazu müssen die RNA-Moleküle im Zellkörper von speziellen RNA-bindenden Proteinen erkannt und an die unter Umständen sehr weit entfernte Synapse transportiert werden.

Nervenzelle ohne Staufen2 | Im oberen Bild sieht man den Dendriten einer unbehandelten Zelle mit dem Protein Staufen2, im unteren Bild den einer Zelle, in der das Staufen2-Protein fehlt. Die dendritischen Dornenfortsätze bilden den empfangende Teil der Synapsen und sind mit einem fluoreszierenden Protein markiert. Damit wird die stark reduzierte Anzahl an Synapsen in den Nervenzellen ohne Staufen2 deutlich.

Um herauszufinden, welche Substanzen an diesen Transportvorgängen beteiligt sind, schalteten Bernhard Götze vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen und seine Kollegen einzelne Proteine in den Nervenzellen gezielt aus. Dabei stießen sie auf ein hirnspezifisches Protein namens Staufen2. Fehlte es, so war die Architektur der Synapsen empfindlich gestört: Statt vieler pilzförmiger Ausstülpungen bildet die Zelle nur wenige lange und dünne Ausläufer, die in ihrer Form unreifen Synapsen ähneln.

Als die Forscher das Aktin-Zellskelett, das als zentrales Protein des Zellgerüsts den Synapsen ihre Form gibt, genauer analysierten, fanden sie einen ersten Hinweis auf eine mögliche Erklärung für die beobachteten Veränderungen: Die formlosen Synapsen in Nervenzellen ohne Staufen2-Protein enthielten sehr viel weniger Aktin-Fäden als die Synapsen in normalen Zellen.

Die Boten-RNA für Aktin wird normalerweise in die Dendriten transportiert und zum Teil erst dort in Proteine abgeschrieben. Wie die Forscher vermuten, gelangen weniger Boten-RNA-Moleküle zu den Synapsen, wenn Staufen2 als Transporter in der Nervenzelle nicht zur Verfügung steht, sodass die Synapsen verkümmern.

"Wir wollten deshalb wissen, ob die Signalübertragung in den Zellen auch ohne Staufen2 noch funktioniert", erläutert Arbeitsgruppenleiter Michael Kiebler. Um das herauszufinden, maßen die Forscher zusammen mit Stefan Boehm von der Medizinischen Universität Wien die elektrische Aktivität einzelner Synapsen. Dabei stellte sich tatsächlich heraus, dass die Signalübertragung zwischen Zellen ohne das Staufen2-Protein nur noch eingeschränkt funktionierte.

"Das war ein wichtiger Hinweis darauf, dass Staufen2 in Nervenzellen für die Ausbildung funktionierender Synapsen unverzichtbar ist", meint Kiebler. Nach Ansicht der Forscher spielt der durch das Protein ermöglichte Transport der Boten-RNA zur Synapse auch für die zentralen Fähigkeit unseres Gehirns – lernen und sich erinnern – eine entscheidende Rolle.

Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine vorwiegend von Bund und Ländern finanzierte Einrichtung der Grundlagenforschung. Sie betreibt rund achtzig Max-Planck-Institute.