Präsynapsen kommen im Paket – Berliner Forscher identifizieren Komponenten und Bauweise neuronaler Kontaktstellen

Synapsen sind die Schaltstelle für den Informationsaustausch von Nervenzellen. Ein Team von Forschern um Prof. Dr. Volker Haucke, Mitglied im Exzellenzcluster NeuroCure sowie Direktor am Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und Professor an der Freien Universität Berlin, und Prof. Dr. Stephan Sigrist von der Freien Universität Berlin hat nun herausgefunden, aus welchem Material neue Präsynapsen gebildet werden, die für die Ausschüttung von Botenstoffen zuständig sind. Die Erkenntnisse könnten künftig auch genutzt werden, um Therapien zur Nervenregeneration wirksamer zu machen.

Wie Nervenzellen bzw. Neuronen miteinander kommunizieren, ist heute recht gut verstanden. Zentral für die Übermittlung von Informationen sind chemische Synapsen, an denen Botenstoffe ausgeschüttet werden. Hierbei stehen Präsynapsen, die Signale aussenden, den Postsynapsen gegenüber, die deren Signale erkennen und weiterleiten. „Allerdings wissen wir bislang vergleichsweise  wenig darüber, wie Synapsen gebildet werden“, sagt Prof. Dr. Volker Haucke.

Zur Lagerung und Freisetzung der Botenstoffe an der Präsynapse werden Vesikel benötigt, kleine intrazelluläre Bläschen; außerdem müssen sogenannte Gerüstproteine zur richtigen Zeit und an der richtigen Stelle vorhanden sein, damit Botenstoffe korrekt ausgeschüttet werden können. Wie die Komponenten der synaptischen Vesikel und Gerüstproteine an die Verknüpfungsstellen gelangen, war bislang jedoch weitgehend unverstanden. Weitgehend unklar blieb außerdem, aus welchen zellulären Bausteinen die Gerüst- und Vesikelproteine gebildet werden. In der Studie, deren Ergebnisse am 30. August 2018 in der angesehenen Fachzeitschrift Neuron erscheinen, experimentierten die Teams um Prof. Dr. Volker Haucke und Prof. Dr. Stephan Sigrist mit neuronalen Zellen aus Mausgehirnen sowie Drosophila-Larven, um mehr über den Aufbau der Präsynapsen zu erfahren. Für beide offene Fragen fanden die Forscher Antworten: So werden Vesikel und Gerüstproteine größtenteils zusammen, als eine Art Paket, an die Präsynapse transportiert (Abbildung 1), kommen damit als funktionelle Einheiten an der sich bildenden Synapse an und können unmittelbar Botenstoffe freisetzen.  Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten ferner zeigen, dass dieser Mechanismus evolutionär konserviert ist, von der Fliege bis zu Mäusen und wahrscheinlich auch beim Menschen.  Zudem deckte das Team auf, dass die Transport-Organellen, in denen Gerüst- und Vesikelproteine gefunden werden, Charakteristika von sogenannten Lysosomen aufweisen. „Das ist extrem überraschend und deswegen hochinteressant, weil bisher angenommen wurde, dass Lysosomen nahezu ausschließlich für den Abbau von Zellbestandteilen zuständig sind“, erklärt Prof. Dr. Volker Haucke. Im Zusammenhang mit der Entwicklung des Nervensystems haben die Lysosomen-verwandten Vesikel jedoch offenbar auch eine Aufbaufunktion, denn sie bilden die Präsynapsen, an denen die Botenstofffreisetzung vor sich geht.

^{Fehlfarbenaufnahme präsynaptischer Transportvesikel-Pakete (grün) im Zellkörper eines Motoneurons der Fruchtfliege Drosophila. Aufnahme: Dr. Dmytro Puchkov, FMP.}

Die Ergebnisse der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Forschungsinstituts für Molekulare Pharmakologie  und der Freien Universität Berlin haben dabei Bedeutung über die Grundlagenforschung hinaus: So verändern Lernprozesse Synapsen, denn diese werden umgebaut, etwa um bestimmte Signale zu verstärken. „So eine Signalverstärkung konnten wir an Drosophila-Larven nachweisen, indem wir gezielt mehr Gerüstproteine zu den Präsynapsen brachten, die daraufhin intensiver Signalübertragung betrieben als zuvor“, berichtet Prof. Dr. Stephan Sigrist. Dieser Zusammenhang könnte künftig in der Therapie neuronaler degenerativer Erbkrankheiten oder auch für die neuronale Regeneration genutzt werden, etwa nach schweren Verkehrsunfällen. Damit beispielsweise das Laufen wieder möglich ist, müssen Nervenbahnen regenerieren und neue Synapsen bilden – dieser Prozess könnte in Zukunft gezielt beschleunigt werden.

Publikation:
Vukoja, A., Rey, U. , Petzoldt, A.G. , Vollweiter, D., Ott, C., Quentin, C., Puchkov, D., Reynolds, E., Lehmann, M., Hohensee, S., Rosa, S., Lipowsky, R., Sigrist, S.J., Haucke, V. (2018) Presynaptic biogenesis requires axonal transport of lysosome-related vesicles. Neuron, Advance Online Publikation, 30. August 2018

Kontakt:
Prof. Dr. Volker Haucke
Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und Freie Universität Berlin
Phone +49-30-94793101
E-Mail: HAUCKE(at)fmp-berlin.de

Öffentlichkeitsarbeit:
Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
Silke Oßwald
Phone +49-30-94793104
E-Mail: osswald(at)fmp-berlin.de

Das Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.900 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Quelle: Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)