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Molekulare Zellerkennung - wie im Gehirn Ordnung entsteht

Die kleine Fruchtfliege Drosophila melanogaster schwirrt zumeist in Scharen in der Küche umher. Aber nicht allen geht sie deshalb gleich auf die Nerven. Die Neurogenetiker in der Arbeitsgruppe von Professor Karl-Friedrich Fischbach von der Universität Freiburg sind ihr sogar zugeneigt, denn das Tierchen erlaubt tiefe Einblicke in die Entwicklung des Gehirns. Mit seiner Hilfe untersuchen die Wissenschaftler, wie sich die komplexen optischen Areale organisieren.

„Die Fruchtfliege navigiert im Zimmer herum und stößt nirgends mit dem Kopf an“, sagt Karl-Friedrich Fischbach vom Institut für Biologie III der Universität Freiburg. „Sie verhält sich ziemlich intelligent.“
Ein Querschnitt durch das Gehirn von Drosophila melanogaster (Abbildung: www.flybrain.org) © www.flybrain.org
Das Gehirn der Fruchtfliege ist im direkten Vergleich zwar viel kleiner als das menschliche. Und es sieht auch ganz anders aus. Aber einige Gemeinsamkeiten gibt es doch, zum Beispiel in den Gebieten, die das Sehen vermitteln. Diese weisen, sowohl beim Menschen als auch bei der Fliege einen so genannten visuotopen Aufbau auf.
So innervieren Neurone, die vom Auge ausgehen und Information aus benachbarten Bereichen des Sehfeldes übermitteln, auch benachbarte Bereiche im optischen Areal. Zudem sind bei beiden Arten einzelne Zellschichten funktional getrennt. Bei der Fliege bilden Nervenzellen, die Vertikalbewegungen (aufwärts oder abwärts) von Objekten kodieren, ihre Synapsen in anderen Schichten aus als diejenigen, die Horizontalbewegungen (vorwärts oder rückwärts) melden.
Diese höchst geordnete Verschaltung entsteht bei Drosophila bereits während der Entwicklung. Die Axone der Nervenzellen, die in den einzelnen „Teilaugen“ (den so genannten Ommatidien) des Komplexauges sitzen, wandern aus und tasten sich durch mehrere Zellschichten des Gehirns an ihr Ziel. „Aber wie erkennen sie dieses Ziel?“, fragt Fischbach. „Woher wissen sie, wann sie angekommen sind und mit welchen Zellen sie in Kontakt treten müssen?“

Eine Molekülgruppe für Zielerkennung

Das innere Chiasma im Gehirn einer Fruchtfliegen-Larve (Abbildung: www.flybrain.org)
Auf der Suche nach Genen, deren mutierte Formen Fehler im Aufbau des Gehirns verursachen, stießen Fischbach und seine Mitarbeiter vor mehr als zehn Jahren auf das Gen irregular Chiasm C (IrreC). Ist dieses Gen defekt, dann kommt es zu Fehlbildungen in Bereichen des optischen Areals, die als äußeres und inneres Chiasma bezeichnet werden. Die Axone aus dem Auge finden ihre Ziele in tiefer liegenden Schichten des Gehirns nur noch über Umwege.

In Folge fanden die Neurogenetiker heraus, dass das durch IrreC kodierte Protein ein Mitglied der Immunglobulin-Familie ist. Somit ähnelt es den Antikörpern des Immunsystems, die offenbar von gemeinsamen Vorläufermolekülen abstammen. Und IrreC hat auch eine Schwester, das Protein Kirre. Beide sitzen in der Membran von Axonendigungen, ragen in den extrazellulären Raum hinein und können definierte Proteine auf der Oberfläche von anderen Zellen binden. „Auf diese Weise erkennen die wachsenden Axone ihre Zielzellen“, sagt Fischbach. An den Membranen der Zielzellen haben die Wissenschaftler auch die Proteinpartner gefunden, die von irreC und Kirre gebunden werden. Auch sie sind Mitglieder der Immunglobulin-Familie. Und sie passen mit irreC und Kirre zusammen wie Schlüssel und Schloss. Weil sie mit ihnen eine funktionelle Einheit bilden, haben Fischbach und seine Mitarbeiter die gesamte Gruppe das „irre cell recognition module“ (IRM) getauft.

Ein universelles Prinzip

Auch in anderen Geweben haben die Wissenschaftler IrreC und Co inzwischen nachgewiesen. Zum Beispiel in den embryonalen Muskel-Gründerzellen und den fusionsbereiten Myoblasten, aus denen während der Entwicklung von Drosophila Muskeln hervorgehen. Hier sorgen die Proteine des IRM dafür, dass sich beide Zelltypen finden und zu den vielkernigen Muskelzellen verschmelzen. Und auch im Komplexauge spielen sie eine wichtige Rolle. Ohne sie ordnen sich die einzelnen Ommatidien (Teilaugen s.o.) nicht korrekt an, sondern richten ihre Achsen in alle möglichen Richtungen aus. Nur wenn sich die äußeren Zellen der Ommatidien und die sie umgebenden Interommatidialzellen über die Proteine des IRM erkennen und dauerhaft binden, kann sich eine feste Ordnung etablieren.
Die Evolution hat das IRM aber nicht erst in der Fruchtfliege erfunden. Unabhängig von Fischbachs Arbeitsgruppe haben die Freiburger Mediziner Gerd Walz und Thomas Benzing entsprechende Moleküle auch in den Zellen der menschlichen Niere entdeckt. Und auch in dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans oder im Gehirn der Maus gibt es Vertreter des IRM. „Es ist wahrscheinlich, dass sie überall eine ähnliche Funktion erfüllen wie in der Fruchtfliege“, sagt Fischbach. Deshalb will er die Rolle der Moleküle nun noch genauer untersuchen. Und dazu baut er wieder auf die Fruchtfliege. Ihn und seine Mitarbeiter interessiert zum Beispiel, welche Rolle das IRM bei der Bildung von Synapsen im optischen Areal des Gehirns spielt. Neue genetische Methoden erlauben ihnen, die IRM-Gene in Nervenzellen gezielt ein- oder auszuschalten. Mithilfe von modernen Färbetechniken können sie die Folgen dann auch an einzelnen Neuronen oder Neuronengruppen beobachten.

mn - 09.04.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen zum Beitrag:
Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach
Institut für Biologie III
Schänzlestr. 1
79104 Freiburg
Tel.: 0761- 203 2730
Fax: 0761- 203 2866
E-Mail: kff@uni-freiburg.de
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/molekulare-zellerkennung-wie-im-gehirn-ordnung-entsteht/