Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gerüstbau in Nervenzellen

22.10.2015

Biochemikern des Universitätsklinikums Jena ist es gelungen, einen für die Ausbildung des Cytoskeletts von Nervenzellen wesentlichen Signalweg aufzuklären. Unter anderem mittels hochaufgelöster 3D-live-Mikroskopie konnten die Doktorandinnen Wenya Hou, Maryam Izadi und Sabine Nemitz zeigen, wie die dynamische Bildung von Aktinfilamenten zeitlich und räumlich gesteuert wird. Die jetzt im Fachjournal PLoS Biology veröffentlichten Ergebnisse tragen zum Verständnis von Entwicklungs- und Regenerationsprozessen von neuronalen Netzwerken bei.

Vorsichtig tastend wächst eine Verzweigung aus der Nervenzelle, gleich darauf verschwindet sie wieder. Nur Minuten später bildet sich an genau der gleichen Stelle ein neuer Auswuchs, kurzlebig wie der erste. Ein drittes Mal beginnt ein Punkt der Nervenzelle heller zu leuchten, und jetzt wird der neue Zweig eines Nervenzellausläufers länger und länger, bis er schließlich einen Nachbarzweig erreicht.


Nervenzelle im Mäusegehirn: Ein dynamisches Zellgerüst formt und stabilisiert die vielen feinen Verästelungen, die die Erregungsleitung von Zelle zu Zelle ermöglichen.

Quelle: Institut für Biochemie I/UKJ


Mit hochaufgelöster 3D-live-Mikroskopie (Maryam Izadi (v.) und Wenya Hou) konnten Biochemiker des Uniklinikums Jena einen für den Bau des Gerüsts von Nervenzellen wichtigen Signalweg aufklären.

Foto: Michael Szabo/UKJ

Der mikroskopische Zeitrafferfilm ermöglicht einen Blick in die Kinderstube der Nervenzellen und zeigt, wie sich deren stark verzweigte Gestalt ausprägt. Die verästelten Formen verschiedener Nervenzellen sind für die Bildung neuronaler Netzwerke, den Transport von Signalen und die korrekte Signalverarbeitung im Gehirn unabdingbar.

Stabilisiert wird diese Zellform von einem inneren Fasergerüst, das aus Zusammenlagerungen vieler Kopien des vergleichsweise kleinen Proteins Aktin besteht und das die Zelle je nach Bedarf auf-, aus- und auch wieder abbauen kann.

Die Bildung dieser Aktinfasern erforschen die Biochemiker Prof. Dr. Britta Qualmann und PD Dr. Michael Kessels am Universitätsklinikum Jena. „Mit dem Protein Cobl konnten wir vor einigen Jahren einen wichtigen Akteur in diesem Baugeschehen identifizieren“, so Britta Qualmann. „Woher Cobl aber weiß, wann und wo es loslegen soll, war bislang völlig unklar“, ergänzt Michael Kessels.

Aktin-Gerüstbau in hoch-aufgelöster 3D-live-Mikroskopie

Zur Beantwortung dieser Frage konnten jetzt Wenya Hou, Maryam Izadi und Sabine Nemitz wesentliche Erkenntnisse beitragen. Die mehrjährigen Forschungsarbeiten der Doktorandinnen am Institut für Biochemie I wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Schwerpunktprogramm „Prinzipien und Evolution von Aktinnukleatorkomplexen“ und im Graduiertenkolleg „Molekulare Signaturen adaptiver Stress¬reaktionen“ gefördert. In hoch-aufgelösten 3D-live-Mikroskopieexperimenten verfolgten die Nachwuchs¬wissenschaftlerinnen dabei die Bildung von Aktinfasern und klärten deren molekularen Grundlagen auf.

„Ein bis zwei Minuten lang sammelt sich Cobl an deutlich umgrenzten Stellen in sich entwickelnden Neuronen an, und dann treten genau dort schlagartig Aktin-reiche Ausstülpungen auf, die zu dendritischen Verzweigungen führen können“, beschreibt Maryam Izadi die Beobachtungen. Offensichtlich lässt die Anhäufung von Cobl die Aktingerüstfasern lokal stark wachsen, und dieser innere Druck direkt an der Zellmembran bricht sich dann in einer Verzweigung eines dendritischen Zellausläufers nach außen Bahn.

Durch eine Vielzahl weiterer Experimente konnten die jungen Biochemikerinnen auch die zeitliche und räumliche Steuerung dieser Cobl-Maschinerie im Detail aufklären. Dabei untersuchten sie zum Beispiel, mit welchen Proteinen Cobl während seiner Bautätigkeit reagiert, ob und wie diese Interaktionen schaltbar sind und wer die Steuerung der kritischen Einzelteile der Cobl-Aktinfilament-Bildungsmaschine übernimmt. Sabine Nemitz: “Mit dem Protein Calmodulin haben wir einen weiteren Bindungspartner von Cobl gefunden – für unser Verständnis der molekularen Steuerung der Cobl-Maschinerie war das der Durchbruch.“

„Calmodulin lagert sich an bestimmte Bereiche von Cobl an und kontrolliert dadurch sowohl dessen Aktivität in Aktinfilamentbildungen, als auch die Zielsteuerung von Cobl zu bestimmten Abschnitten der Plasmamembran von Nervenzellen“, fasst Wenya Hou zusammen. Die Doktorandinnen haben dabei auch gezeigt, dass es ohne Calmodulin gar nicht geht: Wurde das Steuerprotein gehemmt oder Cobl so verändert, dass es sich von Calmodulin nicht mehr steuern ließ, dann konnte sich die Gestalt der Nervenzellen nicht mehr richtig entwickeln.

Kalziumsignale steuern Zellskelett

„Der Cobl-Anhäufung und dem Verzweigungswachstum geht eine Erhöhung der Kalzium-Konzentration voraus; das Calmodulin selbst wird dabei durch Kalzium aktiviert“, so Britta Qualmann. Eine Vielzahl von Zellfunktionen wird durch Kalziumsignale gesteuert - dass auch die Ausbildung von Aktinfasern dazugehört, war bislang unbekannt. In Nervenzellen ist das Kalziumniveau sehr niedrig und stark reguliert.

„Eine direkte Steuerung der Gestalt sich entwickelnder Neurone über nur kurzzeitige und lokal begrenzte Kalziumsignale ist also ein sehr elegantes Prinzip“, führt Michael Kessels aus, „allerdings führen zu hohe Kalziumkonzentrationen, wie sie zum Beispiel auch bei traumatischen Kopfverletzungen oder einem Schlaganfall auftreten, zum Absterben von Neuronen.“

Mit ihren Ergebnissen können die Jenaer Wissenschaftler zum Verständnis der Veränderungen und Störungen von Nervenzellfunktionen beitragen, die durch solche Signale ausgelöst werden. „Und wir verstehen die Steuerung des Zellskeletts besser“, so Britta Qualmann, „die in der Entwicklung des Gehirns sicherstellt, dass Nervenzellen die für ihre Funktion notwendige, sehr ausgebreitete und verzweigte Gestalt annehmen und sich vernetzen können.“

Originalliteratur:
Wenya Hou , Maryam Izadi , Sabine Nemitz , Natja Haag, Michael M. Kessels , Britta Qualmann. The actin nucleator Cobl is controlled by calcium and calmodulin. PLoS Biol 13: e1002233. doi:10.1371/journal.pbio.1002233. http://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1002233

Zeitrafferfilm Neuronenverzweigung: http://journals.plos.org/plosbiology/article/asset?unique&id=info:doi/10.137...

Kontakt:
Prof. Dr. Britta Qualmann & PD Dr. Michael Kessels
Institut für Biochemie I, Universitätsklinikum Jena
Tel.: 03641/9 39 63 00 oder 03641/9 38 120
E-Mail: Britta.Qualmann[at]med.uni-jena.de oder Michael.Kessels[at]med.uni-jena.de

Dr. Uta von der Gönna | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie