Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synapsen sind immer in den Startlöchern

24.10.2014

Mit Neurotransmitter befüllte Vesikel berühren die Zellmembran und können nur deshalb blitzschnell freigesetzt werden

Während Nervenzellen Informationen in ihrem Inneren schnell als elektrische Signale weiterleiten, kommunizieren sie untereinander an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. Dort werden chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, in sogenannten Vesikeln gespeichert. Wird eine Synapse aktiv, verschmelzen einige dieser Vesikel mit der Zellmembran und schütten ihren Inhalt aus.


Dreidimensionale Rekonstruktion einer Synapse im Mausgehirn. Akut freisetzbare, fusionsfähige synaptische Vesikel (blau, etwa 45 Millionstel Millimeter Durchmesser) sind an der Zellmembran angedockt.

© MPI f. Experimentelle Medizin/Benjamin H. Cooper

Damit bei diesem Prozess keine wertvolle Zeit verloren geht, halten Synapsen stets einige akut freisetzbare Vesikel bereit. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen konnten nun mit Hilfe hoch auflösender, dreidimensionaler Elektronenmikroskopie nachweisen, dass diese fusionsfähigen Vesikel eine ganz besondere Eigenschaft haben:

Sie stehen bereits lange vor der eigentlichen Verschmelzung eng mit der Zellmembran in Kontakt. Darüber hinaus entschlüsselte das Forscherteam den molekularen Mechanismus, über den die Vesikel diesen Andockmechanismus vollziehen.

An der Verschmelzung der Neurotransmitter-Vesikel mir der Zellmembran sind viele Eiweißbausteine beteiligt, die eng zusammenarbeiten, sich gegenseitig kontrollieren und sicherstellen, dass alle 'Beteiligten' stets am richtigen Platz stehen. Man spricht von einer Fusionsmaschinerie, und der Vergleich passt: Ist ein Zahnrad im Uhrwerk kaputt, bleiben die Zeiger stehen. In ähnlicher Weise stören fehlerhafte Moleküle oder ihr Verlust den Betriebsablauf in der Synapse.

Forschungsarbeiten von Nils Brose und seinem Kollegen JeongSeop Rhee am Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen hatten bereits vor Jahren gezeigt, dass die Informationsweiterleitung an der Synapse in genetisch veränderten Mäusen, bei denen alle bekannten Gene der sogenannten Munc13- oder CAPS-Proteine ausgeschaltet wurden, stark beeinträchtigt ist.

Fehlt Munc13, kommt die Neurotransmitterfreisetzung sogar vollständig zum Erliegen, ohne dass sich die Nervenzellen unter dem Lichtmikroskop von denen gesunder Mäuse unterscheiden. Die Ergebnisse von Brose und Rhee zeigten, dass jede Synapse eine kleine Menge 'akut freisetzbarer', fusionsfähiger Vesikel bereithalten muss, um jederzeit und unmittelbar auf ein Signal reagieren zu können.

Doch wie überführen Munc13 und CAPS die Vesikel in einen solchen fusionsfähigen Zustand? Um diese Frage zu beantworten, nahmen die Göttinger Wissenschaftler die synaptischen Kontakte im wahrsten Sinne unter die Lupe. Die Neurobiologen Cordelia Imig und Ben Cooper, die bereits seit vielen Jahren mit Brose und Rhee zusammenarbeiten, verwendeten hierzu ein Hochdruck-Gefrierverfahren.

Dabei werden Nervenzellen im Gehirngewebe blitzschnell und unter hohem Druck eingefroren, sodass sich keine störenden Eiskristalle bilden und die Feinstruktur der Zellen besonders gut erhalten bleibt. Die so erhaltenen Proben wurden dann per Elektronentomographie analysiert. Bei dieser Methode werden ähnlich wie bei der medizinischen Computertomographie elektronenmikroskopische Aufnahmen von derselben Struktur aus vielen verschiedenen Winkeln aufgenommen. Die einzelnen Bilder können dann am Computer zu einer hoch aufgelösten, dreidimensionalen Abbildung einer Synapse zusammengesetzt werden (siehe Abbildung).

"Unsere Ergebnisse zeigten, dass akut freisetzbare Vesikel in gesunden Synapsen die Zellmembran berühren", erklärt Cooper. "Fehlen jedoch Munc13 und CAPS Proteine, erreichen die Vesikel die aktive Zone nicht mehr und stauen sich wenige Nanometer davon entfernt an." Zu ihrer großen Überraschung beobachteten die Forscher weiterhin, dass auch sogenannte SNARE-Proteine, die mit Munc13 und CAPS in den Nervenenden zusammenarbeiten, an diesem Andockungsprozess beteiligt sind.

SNARE-Proteine sitzen in gesunden Synapsen in Zell- und Vesikelmembranen und steuern die Verschmelzung der beiden Membranen während der Neurotransmitterfreisetzung. Nähert sich ein Vesikel der Zellmembran, legen sich die einzelnen SNARE-Moleküle einem Reißverschluss ähnlich aneinander und ziehen so die Membranen eng zusammen. In diesem Zustand - quasi in den Startlöchern - warten die Vesikel auf den Startschuss für ihre Fusion.

Die Ergebnisse der Göttinger Neurobiologen belegen, dass Vesikel- und Zellmembran in der Synapse bereits vor dem Signal zur Verschmelzung durch die Zusammenarbeit der Munc13-, CAPS- und SNARE-Proteine eng zusammengezogen werden. Nur so kann eine schnelle und kontrollierte Informationsweiterleitung an der Synapse sichergestellt werden, durch die wir gezielt auf Informationen aus unserer Umwelt reagieren können.

"Dass Synapsen extrem schnell sein müssen, um all die vielen komplexen Hirnfunktionen auszuführen, war schon lange klar. Unsere Studie zeigt zum ersten Mal, wie das auf Molekülebene und auf der Ebene der synaptischen Vesikel bewerkstelligt wird", meint Brose. Da fast alle an diesem Prozess beteiligten Eiweißbausteine auch an neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beteiligt sind, gehen die Göttinger Wissenschaftler davon aus, dass ihre Entdeckung bald auch für die medizinische Forschung nutzbar sein wird.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Nils Brose

Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
Telefon:+49 551 3899-725Fax:+49 551 3899-715
 

Dr. Jeong-Seop Rhee

Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
Telefon:+49 551 3899-694Fax:+49 551 3899-715

Originalpublikation

 
Imig, C., Min, S.-W., Krinner, S., Arancillo, M., Rosenmund, C., Südhof, T.C., Rhee, J.-S., Brose, N. and Cooper, B.H.
The morphological and molecular nature of synaptic vesicle priming at presynaptic active zones.

Prof. Dr. Nils Brose | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff
20.01.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

nachricht Leibwächter im Darm mit chemischer Waffe
20.01.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise