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 Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln
24.07.2017 | Universität Potsdam

nachricht Pfade ausleuchten im Fischgehirn
24.07.2017 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

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: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungen

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Gipfeltreffen der String-Mathematik: Internationale Konferenz StringMath 2017

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

24.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Lupinen beim Trinken zugeschaut – erstmals 3D-Aufnahmen vom Wassertransport zu Wurzeln

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie