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Wer sind die Formbildner der neuronalen Kontaktstellen?

Der Ulmer Anatom Tobias M. Boeckers bewegt sich mit seinen Arbeiten zur Signalübertragung zwischen Nervenzellen auf einem Teilgebiet der neurobiologischen Grundlagenforschung: Vor zwei Jahren erhielt seine molekulare Aufklärungsarbeit plötzlich eine klinische Perspektive.

Boeckers, Direktor der Abteilung Anatomie und Zellbiologie der Uni Ulm, erforscht die glutamatergen, exzitatorischen Kontaktstellen auf Seite der empfangenden Nervenzelle, die dort stattfindenden Signalwege und die darin involvierten Moleküle. Sein besonderes Interesse gilt den Mechanismen der dynamischen Aus- und Umbildung dieser Kontaktstellen (synaptische Plastizität) und der dazu gehörigen Signalwege. Diese morphologischen Veränderungen könnten – so Boeckers Hypothese – über sogenannte Zytoskelett-Elemente induziert werden.

Baustein für das Verständnis höherer Hirnleistungen

Prof. Dr. Tobias M. Boeckers (Foto: Uni Ulm)
Eine Rolle spielen hierbei die Mitglieder der Proteinfamilie der kleinen GTPasen. Diese molekularen Schalter sind wichtig für die dynamische Veränderung von Gerüstproteinen wie Actin. Boeckers untersucht, wann diese kleinen GTPasen wiederum an- und auch wieder abgeschaltet werden. Damit hofft er das Verständnis dieser morphologischen Veränderungen synaptischer Kontakte zu erhöhen. Diese wiederum sind für das Verständnis höherer Hirnleistungen wie Lernen und Erinnern von grundlegendem Interesse. Nach vorherrschender Meinung sind es chemische Synapsen, die Informationen von einem Neuron auf das nächste gerichtet übertragen.

Die Proteinfamilie der kleinen GTPasen ist molekularbiologisch seit einigen Jahren erschlossen. Aktiviert werden die kleinen GTPasen von Nachbarmolekülen mit einer GEF genannten Protein-Domäne. Für deren Inaktivierung sorgt eine andere Molekülgruppe mit einer GAP genannten Protein-Domäne. Diese Nachbarmoleküle befinden sich in einem Komplex mit ProSAP/Shank-Molekülen, die wiederum mit mehreren hundert anderen Proteinen unterhalb der postsynaptischen Membran ein elektronendichtes Netz bilden.

Molekulare Aufklärung der postsynaptischen Dichte

Elektronenmikroskpische Aufnahme einer Synapse. Der Pfeil arkiert den synaptischen Spalt zwischen den beiden Nervenzellen.
Ultrastruktureller Aufbau einer erregenden Synapse. Hier zwei Neuronen aus dem Hippocampus der Ratte (Foto: Boeckers, Uni Ulm)
Fachleute nennen diesen makromolekularen Cluster, der sich unter dem Elektronenmikroskop als eine Art verdickte Membran darstellt, postsynaptische Dichte (PSD). Dieses neuronale Segment, das in den 60er Jahren erstmals beschrieben wurde, wird seit den 90er Jahren - auch von Boeckers - einer molekularen Analyse unterzogen.
Die PSD-Moleküle bilden ein eng verflochtenes Gerüst, das als Schnittfläche zwischen angehäuften membrangebundenen Rezeptoren, Zelladhäsions-Molekülen und dem actinbürtigen Zellgerüst fungiert. Darüber hinaus sitzen innerhalb dieses Bereichs von dendritischen Dornen und postsynaptischer Dichte Kinasen, Phosphatasen, mehrere Signalübertragungs-Proteine und neben weiteren regulierenden Proteinen eben auch diese kleinen GTPasen.
Das Schema zeigt in vier Abbildungen (A-D) Vorgänge an der Synapse.
Schema zur möglichen Umwandlung synaptischer Kontakte nach starker synaptischer Aktivierung. Die präsynaptische Endigung ist durch die Vesikel gekennzeichnet, unter der postsynaptischen Membran befindet sich eine Plattform aus ProSAP/Shank Molekülen, die die PSD organisieren (A). Weitere postsynaptische Proteine werden an die postsynaptische Plattform angebaut (B) und die Struktur ändert sich zu einer reiferen pilzförmigen synaptischen Verbindung (C). Möglicherweise könnte sich diese Struktur dann sogar teilen (D) und somit zur Verdopplung von Synapsen führen. (Foto: Boeckers, Uni Ulm)

Die Schalter der Schalter

Einige dieser PSD-Moleküle identifizierte Boeckers Arbeitsgruppe in den letzten Jahren. Im Rahmen eines SFB-Teilprojektes beschäftigen sich die Ulmer in der Hauptsache mit einer Familie neuer Moleküle, die diese kleinen GTPasen beeinflussen und während der neuronalen Entwicklung bzw. nach Aktivierung morphologische Veränderungen neuronaler Kontaktstellen induzieren könnten. Boeckers Arbeitsgruppe hat vor allem die Moleküle SerSAP2 und SerSAP3 dieser Genfamilie im Blick, deren Proteine sie mittlerweile geklont und proteinchemisch und zellbiologisch bestimmt haben. Über Knock-out-Mäuse und mit Hilfe vektorbasierter Verfahren versucht Boeckers mehr über die Aufgaben einzelner GTPasen an den Synapsen herauszufinden.

Je aktiver, desto größer

Über diese an- und abgeschalteten GTPasen, so stellt es sich Boeckers vor, wird das Zytoskelett den Bedürfnissen angepasst: Eine aktive Synapse, die häufig gebraucht wird, muss größer werden; andere, selten gebrauchte Synapsen sollen abgebaut werden. Dahinter steckt die modellhafte Vorstellung, dass in jedem Moment beim Lernen eine aktive Synapse, die viel Information über die Rezeptoren empfängt, lokal dazu angeregt wird, sich zu vergrößern in ihrer Ausdehnung, um mehr Bedeutung zu bekommen.

Viele der Fragen werden modellhaft an der Taufliege Drosophila nachgestellt, indem kleine GTPasen aus- oder angeschaltet werden. Boeckers und Mitarbeiter bedienen sich eines anderen zellulären Modellsystems. Sie explantieren Neuronen aus dem Hippocampus von Ratte oder Maus kurz vor der Geburt und geben diese noch nicht ausdifferenzierten Nervenzellen in die Petrischale. Vorgeburtliche Zellen eignen sich besonders gut, weil in ihnen zu diesem frühen Stadium ein Feuerwerk der Synaptogenese stattfindet.

Mit GFP die Veränderung synaptischer Kontakte verfolgen

Die hellblauen Flächen sind Nervenzellen, die feinen blauen Äste mit grünen Punkten sind deren Ausläufer. Links unten ist ein vergößerter Ausschnitt zu sehen.
Immunfärbung von In-vitro-Neuronen mit Antikörpern gegen synaptische Proteine. Man erkennt die punktförmigen Markierungen entlang der neuronalen Ausläufer (Dendriten). In Grün wird mit einem Antikörper, der gegen ein Protein der Neurotransmittervesikel gerichtet ist, die Präsynapse dargestellt, in Lila zeigt sich die postsynaptische Dichte nach Markierung mit Antikörpern gegen Proteine der ProSAP/Shank Familie. In der Vergrößerung sieht man, dass sich grüne und lila Markierungen gegenüberliegen (Pfeil). (Foto: Boeckers)
Per Transfektion lassen sich die kleinen GTPasen modulieren, an- oder ausschalten. Mit Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) untersucht Boeckers Arbeitsgruppe, wie sich die synaptischen Kontakte unter den gewählten Bedingungen verändern. Das besondere Interesse der Ulmer Forscher gilt den unterschiedlichen Typen der kleinen GTPasen in den synaptischen Kontakten. Da aber noch unbekannt ist, welche Synapse für welche Umformung zuständig ist, strebt Boeckers in einem ersten Schritt eine Kategorisierung an. Er will verstehen, welche dieser in Gruppen organisierten kleinen GTPasen die Morphologie des Neurons beeinflusst, will heißen: Er versucht eine Molekül-Struktur-Beziehung zu erstellen.

Über grobe Modelle erste Hypothesen gewinnen

Wird eine dieser fünf Subgruppen der kleinen GTPasen durch geringfügige Mutation „ewig aktiviert“, vergrößern sich die dendritischen Dornen (sog. Spines) und die postsynaptische Dichte. In diesem frühen Forschungsstadium, das mit Extremen jenseits aller Funktion arbeitet, geht es nach Boeckers Worten erst einmal darum, grobe Modelle zu entwickeln, um daraus Hypothesen zu gewinnen, um dann viel später Aufschlüsse über die Feinabstimmung dieser morphologischen Veränderung an den Synapsen zu gewinnen.

Übergeordnetes Ziel: Synapsen und PSD molekular erklären

Boeckers Forschung an den kleinen GTPasen reicht weit über dieses eine SFB-Projekt hinaus. Sein übergeordnetes Ziel ist es, Synapsen und postsynaptische Dichten molekular aufzuklären. Denn noch sind Rolle und Funktion der über 500 unterschiedlichen Moleküle längst nicht vollständig aufgeklärt. Einen Teil davon hofft Boeckers zu charakterisieren, in mühevoller Kleinarbeit an Zellkulturen und an Mausmodellen.

Die klinische Perspektive

Wie schnell klassischer Grundlagenforschung eine klinische Perspektive erwachsen kann, erfuhr Boeckers vor zwei Jahren. 2006 wartete der französische Kollege Thomas Bourgeron beim Ulmer Ordinarius mit einer überraschenden Entdeckung auf. Die Mutation eines der von Boeckers untersuchten synaptischen Moleküle kann zu vererbbaren Formen von Autismus führen. Der Kollege hatte die Mutation bei einer Kopie des Gens SHANK 3 (das auch ProSAP2 genannt wird) auf dem Chromosom 22q13 entdeckt und eine direkte Korrelation mit autistischen Krankheitsbildern erkannt.

Erstmals Hoffnung auf Eingriff gegen Autismus

Aus Sicht des Ulmer Facharztes für Anatomie war diese Erkenntnis in zweierlei Hinsicht aufregend. Erstmals war der Nachweis erbracht, dass die komplexe, bislang kaum verstandene Krankheit Autismus durch die Mutation eines synaptischen Moleküls ausgelöst werden kann. Und spannend war dies, weil es in direktem Zusammenhang mit Boeckers Arbeit stand. Erstmals zeichnete sich am Horizont so etwas wie Hoffnung ab, diese komplexe Erkrankung behandeln zu können.

Theorie: Glutamaterge Synapsen werden umgebildet

Im Lichte seiner Forschung vertritt Boeckers die These, dass das Gleichgewicht von Auf- und Abbau, die Stärkung oder Schwächung dieser Synapsen, plastisch ist. Dahinter steckt die Vorstellung, dass viele dieser glutamatergen Synapsen umgebildet und nicht ein für alle Mal angelegt werden. Dieses Wechselspiel, so Boeckers momentane Interpretation, werde auf einem anderen oder veränderten Niveau eintariert. Das könnte einer der Gründe für dieses autistische Fehlverhalten oder veränderte Verhaltensweisen sein.

Mensch braucht zwei funktionelle Kopien von SHANK3

Da nur eine der beiden Kopien des SHANK3-Moleküls in der Nervenzelle diese Mutation aufwies, folgert Boeckers daraus, dass der Mensch in seinem Nervensystem offenbar beide funktionelle Kopien benötigt, um das Gleichgewicht der Proteinkonzentration in jeder Nervenzelle aufrechterhalten zu können. Ist eine Kopie gestört, scheint das Gleichgewicht in einigen Zellpopulationen gestört.

Die SHANK-Moleküle zählen zu den Haltemolekülen (Scaffold-Proteine) und sitzen in den exzitatorischen Synapsen, direkt unterhalb der Membran und halten dort andere Moleküle wie Adhäsionsmoleküle und Rezeptoren fest. Die Mitglieder aus der SHANK-Proteinfamilie gelten als hauptsächliche Organisatoren der postsynaptischen Dichte.

Anwendungsnahe Komponente wird vertieft

In einer europäischen Initiative kooperiert Boeckers Arbeitsgruppe nun mit einer Gruppe aus Montpellier und italienischen Kollegen zum Thema synaptische Erkrankungen. Boeckers neurobiologische Grundlagenforschung scheint auf Dauer eine anwendungsnahe Dimension erhalten zu haben.

Literatur:

Boeckers, T.M, The postsynaptic density, in: cell and tissue research, Vol. 326, 2. Nov. 2006, S. 409-422 (DOI: 10.1007/s00441-006-0274-5)

Durand, Ch, Betancour, C. T. Boeckers et al.: Mutations in the gene encoding the synaptic scaffolding protein SHANK3 are associated with autism spectrum disorders, in: Nature genetics, Vol. 39, Nr. 1, Jan. 2007, S. 25-27.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/wer-sind-die-formbildner-der-neuronalen-kontaktstellen