Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzellen im Schilderwald

21.10.2014

Proteasen helfen navigierenden Nervenzellen

Damit wir uns bewegen können, müssen sich Nervenzellen mit Muskel- und anderen Nervenzellen verbinden. Auf ihrem Weg werden die auswachsenden Nervenzellfortsätze von "Verbotsschildern" auf der Oberfläche anderer Zellen geleitet.


Während der Entwicklung schicken Nervenzellen (hier in blau, grün und gelb) ihre Axone zu bestimmten Beinmuskeln. Treffen die EphA4-Rezeptoren der auswachsenden Nervenzellen nicht mehr auf frei zugängliche Ephrine, finden die Fortsätze vieler Nervenzellen (violett) nicht mehr zu ihren Partnerzellen.

© MPI für Neurobiologie/ Gatto

Zellkulturstudien ließen vermuten, dass Protein-schneidende Enzyme (Proteasen) diese Schilder sofort entfernen, wenn sie von den wachsenden Fortsätzen erkannt wurden. Die "Erkennungsbindung" zwischen Zellfortsatz und Schild wird dadurch schneller getrennt und die Zellfortsätze werden schneller in die neue Richtung verwiesen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München und des Institut de Recherches Cliniques de Montréal zeigen nun im Tiermodell, dass Proteasen tatsächlich die Navigation von Nervenzellfortsätzen regulieren. Sie tun dies jedoch, indem sie die Zahl der vorhandenen Schilder regulieren.

Ohne Proteasen werden die Schilder verdeckt und Zellfortsätze werden fehlgeleitet. Die Ergebnisse helfen, die Vernetzung der Zellen während der Entwicklung zu verstehen und könnten auch für das Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen wie der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) interessant sein.

Das menschliche Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen. Jede einzelne dieser Zellen vernetzt sich im Laufe der Embryonalentwicklung über einen langen Fortsatz, das Axon, mit anderen Zellen. Zum Teil muss ein Axon dabei weite Strecken durch den Körper navigieren, damit zum Beispiel eine Verbindung zwischen Rückenmark und Bein entsteht. Erst so wird es uns möglich, fein justierte Bewegungsabläufe auszuführen wie beispielsweise über eine Mauer zu balancieren.

Es ist somit essenziell, dass sich die richtigen Nervenzellen miteinander verbinden. Doch wie findet ein Axon seinen Weg und die entsprechenden Partnerzellen unter Milliarden anderer Zellen? "Wir kennen heute ein paar Dutzend Lenkungsmoleküle und ihre Rezeptoren, die zusammen Axonen bei der Orientierung helfen", so Rüdiger Klein, Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie. Diese wenigen Rezeptor-Lenkungsmolekül-Paare steuern jedoch sehr viele Navigationsentscheidungen. "Es muss daher Mechanismen geben, die die Effekte dieser Proteinpaare verstärken und abwandeln", überlegt Klein.

Rüdiger Klein und sein Team erforschen die Wegfindung von Nervenzellen während der Entwicklung.  Im Fokus der Wissenschaftler stehen dabei die "Verbotsschilder", die Ephrin Lenkungsmoleküle und ihre Eph-Rezeptoren. Ephrine und Eph-Rezeptoren befinden sich auf fast allen Zelloberflächen:  auf Axonen ebenso wie auf Zellen des umgebenden Gewebes. Sie helfen den wachsenden Axonen, ihren Weg und ihre Partnerzelle zu finden.

Wenn ein Axon durch den Körper wandert, dockt es immer wieder über das Ephrin/Eph-System an andere Zellen an. Dadurch werden zelluläre Prozesse in einer oder beiden Zellen ausgelöst, die schließlich zum Trennen der Verbindung und Abstoßen der Zellen voneinander führen. So wird das Axon in die richtige Richtung gelenkt. Eine gängige Theorie besagt, dass diese Zellabstoßung durch Proteasen beschleunigt wird. Proteasen sind Enzyme, die Eph-Rezeptoren oder Ephrine abschneiden, und so die Verbindung zwischen den Zellen lösen können. "Proteasen könnten so zu Veränderungen in den Lenkungsvorgängen beitragen – aber bewiesen ist das noch nicht", so Rüdiger Klein.

Nicht schneller, aber besser

Um die Wissenslücke zu schließen, untersuchten die Neurobiologen in Mäusen den Einfluss von Proteasen auf die Geschwindigkeit der Zellabstoßung, die durch EphA4-Rezeptoren und ihre Ephrine gelenkt wird. Tatsächlich schienen die Versuche in Zellkultur die Theorie zunächst zu bestätigen. "Im lebenden Organismus haben wir dagegen etwas ganz anderes gefunden", berichtet Rüdiger Klein. Anders als erwartet verlief die Zellabstoßung in Tieren, deren EphA4-Rezeptoren auf den Axonen nicht von Proteasen geschnitten werden konnten, mit unveränderter Präzision. Konnten die EphA4-Rezeptoren jedoch weder auf den Axonen noch im Zielgewebe von Proteasen geschnitten werden, dann wuchsen viele Axone in die falsche Richtung. Durch das fehlende Zerschneiden reicherten sich immer mehr funktionsfähige EphA4-Rezeptoren im umgebenden Gewebe auf den Zelloberflächen an. Diese Rezeptoren binden an die auf der gleichen Zelloberfläche vorhandenen Ephrine. So werden die Ephrine "verdeckt" – für die Eph-Rezeptoren eines heranwachsenden Axons blieben keine Verbotsschilder mehr übrig. Als Konsequenz wurde das Axon nicht mehr abgestoßen und fand nicht mehr in sein Zielgebiet.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Spalten der Eph-Rezeptoren durch Proteasen nicht, wie erwartet, die Abstoßungsreaktion beschleunigt. Es reguliert vielmehr die Zahl funktionierender Rezeptoren und indirekt die Zahl frei zugänglicher Ephrine in den Zellen, die als Navigationshilfen dienen. Ist das Gleichgewicht gestört, werden auswachsende Axone fehlgeleitet.

Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da EphA4-Rezeptoren essenzielle Funktionen während der Entwicklung von neuronalen Netzwerken im Gehirn und Rückenmark haben. Auch werden sie mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) in Zusammenhang gebracht: Fehlt der EphA4-Rezeptor, bricht die Krankheit in verschiedenen Tiermodellen später aus und entwickelt sich langsamer. "Es könnte sein, dass durch die regulierende Wirkung von Proteasen die Zahl der EphA4-Rezeptoren auf ein niedriges Maß eingestellt werden wird", überlegt Rüdiger Klein. "Das könnte eine Möglichkeit sein, den Krankheitsverlauf der ALS positiv zu beeinflussen."

Ansprechpartner

Prof. Dr. Rüdiger Klein

Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Telefon:+49 89 8578-3151Fax:+49 89 8578-3152
 

Dr. Stefanie Merker

Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
Telefon:+49 89 8578-3514

Originalpublikation

 
Graziana Gatto, Daniel Morales, Artur Kania, Rüdiger Klein
EphA4 Receptor Shedding Regulates Spinal Motor Axon Guidance

Prof. Dr. Rüdiger Klein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8709322/nervenzellen_proteasen_ephrine

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher beschreiben neuartigen Antikörper als möglichen Wirkstoff gegen Alzheimer
22.08.2017 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Virus mit Eierschale
22.08.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen