Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnelle Reaktion dank „Präzisions-Protein“

16.08.2016

Wissenschaftler von Freier Universität, Charité und Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie gewinnen neue Erkenntnisse zur Kommunikation zwischen Nervenzellen

Ob wir Autofahren oder Fußball spielen – In vielen Situationen müssen wir blitzschnell auf äußere Reize reagieren. Doch wie wird gewährleistet, dass die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen unseres Körpers in Sekundenbruchteilen geschieht? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Freien Universität Berlin, der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Leibniz-Institutes für Molekulare Pharmakologie haben jetzt im Rahmen eines internationalen Forschungsverbundes einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung dieses Mechanismus geleistet.


Illustration der Neurotransmitter Freisetzung über Unc13A und Unc13B. Unc13A wird in einem Abstand von 70 nm von der Kalziumquelle (Cac; blau) durch Bruchpilot (BRP; grün) und RBP (rot) positioniert. Unc13B (orange) wird in einem größeren Abstand von 120 nm positioniert. Der Farbübergang von dunkel- zu hellblau im Hintergrund kennzeichnet unterschiedlich hohe Kalziumkonzentrationen, die von Vesikel detektiert werden

Sie fanden heraus, dass ein bestimmtes Protein (Unc13A) an den Verbindungsstellen der Nervenzellen – den Synapsen – für eine extrem präzise molekulare „Verknüpfung“ sorgt und damit für die ultraschnelle Weiterleitung der Reize verantwortlich ist. Die Ergebnisse, die nun in der Fachzeitschrift „Nature Neuroscience“ publiziert wurden, erlauben Einblicke in die Prinzipien, mit denen Synapsen auf molekularer Ebene und mit hoher Genauigkeit Signalübertagung räumlich und zeitlich optimieren.

Nervenzellen kommunizieren mit Hilfe von elektrischen und chemischen Signalen. Die Übertragung der Reize von Zelle zu Zelle erfolgt dabei über spezielle Verbindungsstellen, die Synapsen. Dort wird das ankommende elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt und so über den sehr engen synaptischen Spalt, der zwei benachbarte Zellen voneinander trennt, transportiert, um dann auf der anderen Seite wiederum in ein elektrisches Signal umgebildet und weitergeleitet zu werden.

Die chemische Reizweiterleitung erfolgt über Botenstoffe, die so genannten Neurotransmitter, die sich in kleinen Vesikeln (lat. „Bläschen“) in der Synapse befinden. Kommt ein elektrischer Impuls an der Synapse an, verändert er die Spannung in der Zellmembran, wodurch kurzzeitig Kalziumionen in die Synapse strömen.

Die Erhöhung der Kalziumkonzentration führt wiederum dazu, dass sich die Vesikel zum synaptischen Spalt öffnen und die Botenstoffe freisetzen, die dann in der benachbarten Nervenzelle zu einer Weiterleitung des Signals führen, zum Beispiel zur Kontraktion eines Muskels. All dies passiert innerhalb weniger Millisekunden, was unter anderem nur möglich ist, weil der Abstand zwischen Vesikeln und den Kanälen in der Zellmembran, durch die das Kalzium in die Zelle einströmt, genauestens definiert wird.

Wie exakt der Mechanismus geregelt ist, fanden Wissenschaftler des Exzellenzclusters NeuroCure unter Leitung von Prof. Dr. Stephan Sigrist und Dr. Alexander Walter vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie nun am motoneuronalen Nervensystem der Taufliege (Drosophila melanogaster) heraus.

Sie entdeckten, dass das Protein Unc13A die mit dem Botenstoff gefüllten Vesikel mit Nanometer-Präzision an die Kalzium-Quelle – also die Kalziumkanäle in der Zellmembran – koppelt und so die blitzschnelle und effiziente Signalübertragung ermöglicht. Bei der exakten Positionierung der Vesikel spielen noch zwei weitere Proteine eine Rolle, die mit Hilfe der Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Ulrich Stelzl von der Universität Graz und Prof. Dr. Markus Wahl von der Freien Universität Berlin identifiziert werden konnten: Wie zwei Mess-Schieber auf einem Lineal sorgen diese beiden Eiweiße dafür, dass der wohl definierte Abstand zwischen Vesikel und der Kalzium-Quelle stets eingehalten wird.

Erstaunlich für die Wissenschaftler war, dass das sehr eng verwandte Protein Unc13B für die Signalübertragung eine untergeordnete Rolle spielt. Dies – so legen die Experimente und theoretischen Berechnungen nah – ist vermutlich darin begründet, dass das Protein nicht so nahe an die Kalzium-Quelle gekoppelt ist. Auch Unc13B wird im Verbund eines Proteinkomplexes an Ort und Stelle gehalten, allerdings auf Distanz.

Die Längenunterschiede bewegen sich lediglich auf der Nanometer-Skala (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter), sie konnten nur mit einem besonders hochauflösenden Mikroskop im Laboratorium von Chemie-Nobelpreisträger Prof. Dr. Stefan Hell vom Max Plack Institut für Biophysikalische Chemie Göttingen überhaupt detektiert werden. Dennoch führe das zu vollkommen unterschiedlichen Funktionalitäten, sind die Wissenschaftler überzeugt: Während Unc13A eine schnelle und effiziente Signalleitung ermöglicht, spielt Unc13B aufgrund seiner minimal größeren Entfernung von der Kalzium-Quelle hierbei kaum eine Rolle. Es werde aber wohl in der Entwicklung der Synapse benötigt.

Mit Ihrer Arbeit sind die Forscher einem sehr wesentlichen, jedoch mechanistisch noch wenig verstandenen Prinzip auf die Spur gekommen: wie Synapsen durch räumliche Kontrolle der Vesikelposition ihre Transmissionseigenschaften steuern.

Das Paper ist veröffentlicht in: Nature Neuroscience 10.1038/nn.4364.

Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dr. Alexander M. Walter
Molecular and Theoretical Neuroscience
Leibniz Institute für Moleculare Pharmakologie
Charité Campus Mitte
Charitéplatz 1
10117 Berlin
Tel.: +49 (0)30-450-639-026
awalter@fmp-berlin.de

Prof. Dr. Stephan Sigrist
Institut für Biologie / Genetik
NeuroCure Exzellenzcluster
Takustraße 6
14195 Berlin,
Tel.: +49 (0)30-838-56940
stephan.sigrist@fu-berlin.de

Silke Oßwald | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten