Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weichenstellung für Axonverzweigungen

26.09.2018

Unser Gehirn ist ein komplexes Netzwerk aus unzähligen verknüpften Nervenzellen. Diese haben lange verzweigte Fortsätze, sogenannte Axone, um die Anzahl der möglichen Interaktionen zu erhöhen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Portugal und Frankreich untersuchten Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) die Prozesse, die zu solch Zellverzweigungen führen. Sie fanden einen neuartigen Mechanismus, der die Verzweigung von Mikrotubuli, einem mechanischen Stabilisierungssystems in den Zellen, und somit der Axone auslöst. Wie die Forscher in Nature Cell Biology berichten, spielt die neu entdeckte Mikrotubuli-Dynamik eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Entwicklung.

Von den Zweigen eines Baums bis hin zur Eisenbahnweiche – unsere Umwelt ist voller starrer verzweigter Objekte. Sie sind so allgegenwärtig in unserem Leben, dass wir sie kaum noch wahrnehmen. Die Verzweigungen lassen sich auf verschiedene Weise erzielen.


In Neuronen reichert sich das Protein SSNA1 (pink) an den Verzweigungen der Axone an (oben). Die SSNA1-Fasern heften sich an die Mikrotubuli (grün) an und lösen deren Verzweigung aus (unten).

© Naoko Mizuno, MPI für Biochemie

Während bei Weichen spezielle Bauteile zum Einsatz kommen, wachsen Zweige aus Knospen an bereits bestehenden Ästen. Doch nicht alle Verzweigungen biologischer Systeme sind gut untersucht. Wie sich Nervenzellen verzweigen, untersuchten Forscher der MPIB-Arbeitsgruppe „Zellulärer Membrantransport“ unter der Leitung von Naoko Mizuno in einer jetzt veröffentlichten Studie.

Wie sich ein Axon verzweigt

Um Informationen zu verarbeiten, bilden die Nervenzellen im Gehirn komplexe Netzwerke. Die Verbindungen zu anderen Zellen werden über Zellfortsätze hergestellt. Hierbei unterscheidet man Dendriten, zahlreiche kurze Fortsätze, die eingehende Informationen erfassen, und das Axon, einen einzelnen langen verzweigten Fortsatz, der Informationen an andere Zellen übermittelt.

Die Form des Axons wird durch ein internes System aus Hohlröhrchen, den Mikrotubuli, stabilisiert. Mikrotubuli sind gut erforschte Bestandteile des Zellskeletts. Sie bestimmen die Zellform und sind an verschiedenen Prozessen wie Zellteilung und Stofftransport innerhalb der Zellen beteiligt.

Sie kombinieren somit verschiedene Funktionen, ähnlich wie intrazelluläre Eisenbahnstrecken, deren Stahlschienen gleichzeitig die Zellstatik erhalten. Mikrotubuli bestehen aus kleinen Tubulinbausteinen.

Dies sind Proteine, die sich parallel zueinander ausrichten und ein hohles Röhrchen aufbauen. Durch die hohle Struktur besitzen Mikrotubuli eine bemerkenswerte Steifigkeit. Durch Anlagerung der Tubuline an ein Ende können die Mikrotubuli in der Länge wachsen.

„Forscher waren bislang nicht in der Lage, den Vorgang der Mikrotubulusverzweigung zu beobachten“, erzählt Nirakar Basnet, Doktorand in Naoko Mizunos Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie. „Wir zeigen, dass sich ein Protein namens SSNA1 an den Stellen ansammelt, an denen Axone Verzweigungspunkte bilden. Da die Axonform ja von den Mikrotubuli abhängt, entstand unsere Vermutung, dass SSNA1 mit den Mikrotubuli interagiert“, so Basnet.

Verzweigungen? Ja, aber nicht zu viele

Diese These war für die Forscher Anlass für die weitere Erforschung des Proteins SSNA1. Sie stellten fest, dass SSNA1 ebenfalls Filamente bildet, die jedoch erheblich dünner sind als die Mikrotubuli. Diese Fasern lagern sich an die Oberfläche des wachsenden Mikrotubulus an und wölben sie nach außen. Die Wölbung zwingt die Mikrotubuli sich zu verzweigen. Dass schon während ihrer Entstehung Verzweigungen in die Röhren eingebaut werden, ist ein völlig neues Prinzip der Mikrotubuli-Dynamik.

Das Zusammenspiel mit den Mikrotubuli macht SSNA1 für die neuronale Entwicklung unverzichtbar. Ohne SSNA1 bilden die Mikrotubuli nur lange unverzweigte Röhren. In der Folge verzweigen sich auch die Axone nicht. Dennoch muss die Axonverzweigung genau reguliert werden. Erhöhten die Forscher die experimentell die SSNA1-Konzentration in den Zellen, stieg zwar die Zahl der Mikrotubuli, ihre Länge dagegen nahm ab. „Um den Verzweigungsvorgang auszulösen, muss die lokale SSNA1-Konzentration relativ hoch sein”, erklärt Basnet. „Wir vermuten, dass es sich dabei um einen Sicherheitsmechanismus handelt. Dadurch findet die Verzweigung nur an bestimmten Orten innerhalb der Nervenzelle statt.“

Wegweiser für die Axonverzweigung

Naoko Mizuno, Gruppenleiterin am MPIB, bezeichnet SSNA1 als „Wegweiser” für die neuen Äste der Mikrotubuli. „Die Proteine bilden Filamente, die dem neu entstehenden Mikrotubulus den Weg vorgeben. SSNA1 sorgt für den Bau einer Art Eisenbahnweiche, die eine Verzweigung der Gleise ermöglicht. Anders als eine Weiche ist das Protein aber nicht Teil der Konstruktion selbst, sondern zeigt den Verzweigungspunkt von außen an.“ Eine Weiche erhöht die Anzahl der möglichen Zielorte des Zuges. In ähnlicher Weise können auch die verzweigten Axone Verknüpfungen mit einer größeren Anzahl anderer Nervenzellen bilden.

Die aktuelle Studie, so erklärt Mizuno, wurde durch die Kombination verschiedener mikroskopischer Verfahren möglich. „Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie untersuchten wir beispielsweise die Art und Weise, wie sich SSNA1 an die Mikrotubuli anlagert. Durch den Einsatz von einem am MPIB entwickelten hochauflösenden lichtmikroskopischen Verfahren, DNA-PAINT, konnten wir einzelne Mikrotubuli in den komplexen Netzwerken im Inneren der Zellen beobachten.“ Die Studie profitiert von Synergieeffekten, die sich aus der kombinierten Fachkompetenz institutsinterner Forscher und externer Wissenschaftler ergeben. „Wir zeigen ein neues Konzept in der Mikrotubuli-Biologie. Viele Fragen in Bezug auf die Funktionen des Zytoskeletts im Rahmen anderer Prozesse sind noch immer unbeantwortet”, meint Mizuno und spekuliert, dass der neue Verzweigungsmechanismus auch Auswirkungen auf andere Funktionen als die Axonverzweigung haben könnte. [CW]


Über Naoko Mizuno
Naoko Mizuno studierte Biophysik an der Universität Tokio in Japan und promovierte 2005 am University of Texas Southwestern Medical Center in den USA. Nach ihrer postdoktoralen Arbeit war sie als Wissenschaftliche Mitarbeiterin im Labor für Strukturbiologie der National Institutes of Health in den USA tätig. Seit 2013 ist Mizuno Gruppenleiterin am MPIB. Sie hat zahlreiche Preise und Forschungsförderungen erhalten, darunter den EMBO Young Investigators Preis und einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC).

Über das Max-Planck-Institut für Biochemie
Das Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München zählt zu den führenden internationalen Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der Biochemie, Zell- und Strukturbiologie sowie der biomedizinischen Forschung und ist mit rund 35 wissenschaftlichen Abteilungen und Forschungsgruppen und ungefähr 800 Mitarbeitern eines der größten Institute der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Das MPIB befindet sich auf dem Life-Science-Campus Martinsried in direkter Nachbarschaft zu dem Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Instituten der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Innovations- und Gründerzentrum Biotechnologie (IZB). http://biochem.mpg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Naoko Mizuno, PhD
Zellulärer Membrantransport
Max-Planck-Institut für Biochemie
Am Klopferspitz 18
82152 Martinsried/München
E-mail: mizuno@biochem.mpg.de
http://www.biochem.mpg.de/en/rg/mizuno

Originalpublikation:

N. Basnet, H. Nedozralova, A. Crevenna, S. Bodakuntla, T. Schlichthaerle, M. Taschner, G. Cardone, C. Janke, R. Jungmann, M. Magiera, C. Biertümpfel, N. Mizuno: Microtubule nucleation factor SSNA1 induces direct branched microtubules; its implications in axon branching. Nature Cell Biology, September 2018
DOI: 10.1038/s41556-018-0199-8

Dr. Christiane Menzfeld | Max-Planck-Institut für Biochemie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Betazellfunktion im Tiermodell wiederhergestellt: Neue Wirkstoffkombination könnte Diabetes-Remission ermöglichen
21.02.2020 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht Darmkrebs: Erhöhte Lebenserwartung dank individueller Therapien
20.02.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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: Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits: Gewinn für die Informationsverarbeitung

Wissenschaftler der Universität Paderborn und der TU Dortmund veröffentlichen Ergebnisse in Nature Communications

Computer speichern Informationen in Form eines Binärcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe...

Im Focus: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Globale Datenbank für Karstquellenabflüsse

21.02.2020 | Geowissenschaften

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

21.02.2020 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics