Weltweit erstes 3D-Modell einer Synapse

Blick in eine neue Welt der Neurowissenschaften: Göttinger Forscherteam um Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli gelingt erste wissenschaftlich fundierte 3D-Darstellung einer Synapse. Veröffentlicht am 30. Mai 2014 in SCIENCE. Beteiligt waren Kooperationspartner aus der Universitätsmedizin Göttingen, dem Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen, und dem Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie, Berlin.

Ohne Synapsen funktioniert das Gehirn nicht. Sie sind die Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Bislang waren Aufbau und Ausstattung dieser hochkomplexen Strukturen der Wissenschaft im Detail nicht bekannt. Einem Göttinger Forscherteam um Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli vom DFG Forschungszentrum und Exzellenzcluster für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) ist es jetzt erstmals gelungen, alle wichtigen Bausteine einer Synapse in korrekter Anzahl und Position zu bestimmen. Die Forscher konnten so das erste wissenschaftlich fundierte 3D-Modell einer Synapse erstellen. Möglich wurde das Projekt durch die Zusammenarbeit mehrerer Spezialisten auf den Gebieten der Elektronenmikroskopie, hochauflösenden Lichtmikroskopie (STED), Massenspektrometrie und quantitativen Biochemie. Beteiligt waren Kooperationspartner aus der UMG, dem Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen, und dem Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie, Berlin. Gefördert wurden die Forscher unter anderem vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die Ergebnisse sind am 30. Mai 2014 in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift SCIENCE erschienen. Das von den Göttinger Forschern erarbeitete 3D-Modell einer Synapse wurde aufgrund der breiten Relevanz des Themas zum Coverbild dieser Magazin-Ausgabe ausgewählt.

Originalpublikation
Wilhelm BG, Mandad S, Truckenbrodt S, Kröhnert K, Schäfer C, Rammner B, Koo SJ, Claßen GA, Krauss M, Haucke V, Urlaub H, Rizzoli SO (2014) Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins. SCIENCE, 30. Mai 2014.

NEUE, BISLANG UNBEKANNTE WELT
"Mit dem 3D-Modell einer Synapse eröffnet sich den Neurowissenschaften der Blick in eine neue und bisher unbekannte Welt", sagt Prof. Dr. Rizzoli, Senior-Autor der Publikation. Ungeklärt war bisher vor allem die Anzahl und Verteilung der Proteine, den Bausteinen der Zelle. Das von Prof. Rizzoli und seinem Team präsentierte Modell einer Synapse beschreibt gleich mehrere hunderttausend einzelne Proteine in korrekter Anzahl und an ihrer genauen Position in einer Nervenzelle.

"Anhand des 3D-Modells der Synapse können wir nun erstmals zeigen, dass Proteine in ganz unterschiedlicher Anzahl für die verschiedenen Vorgänge innerhalb der Synapse benötigt werden", sagt Dr. Benjamin G. Wilhelm, Erst-Autor der Publikation. Die Forscher fanden heraus: Proteine, die an der Ausschüttung von Botenstoffen (Neurotransmitter) aus den sogenannten synaptischen Vesikeln beteiligt sind, liegen mit bis zu 26.000 Kopien in jeder Synapse vor. Dagegen sind Proteine, die für den gegenläufigen Vorgang, das Recycling von synaptischen Vesikeln, zuständig sind, lediglich mit 1.000 bis 4.000 Kopien pro Synapse vertreten.

Mit diesen Details liefert das Synapsen-Modell auch weiteren Aufschluss zu einer in der Neurowissenschaft lange diskutierten Kontroverse: Wie viele synaptische Vesikel können in einer Synapse gleichzeitig verwendet werden? Die Göttinger Forschungsergebnisse zeigen: Es sind mehr als genug Proteine für die Vesikel-Freisetzung vorhanden. Doch die für das Recycling vorhandenen Proteine reichen nur für sieben bis elf Prozent aller Vesikel in der Synapse aus. Das bedeutet, dass der Großteil der Vesikel einer Synapse nicht gleichzeitig genutzt werden kann.

Die wichtigste Erkenntnis, die das neue Modell liefert: In Abläufen, an denen viele verschiedene Proteine beteiligt sind, ist die Anzahl dieser Proteine erstaunlich genau aufeinander abgestimmt. Die Bausteine der Zellmaschinerie greifen hier wie in einer hocheffizienten Maschine ineinander, ohne Überproduktion oder Verschwendung. Die verschiedenen Proteine unterliegen völlig unterschiedlichen Transportmechanismen und besitzen zudem eine stark voneinander abweichende Lebensdauer. Wie die Zelle also diese erstaunliche Feinabstimmung so erfolgreich bewerkstelligt, bleibt unklar.
Das neue Modell kann in Zukunft als Referenzquelle für Neurowissenschaftler aller Sparten dienen. Es kann dabei helfen, Forschung zielgerichteter durchzuführen, da die Anzahl an Kopien eines Proteins Rückschlüsse auf seine Relevanz zulässt. Das Forscherteam will hier allerdings nicht Halt machen. Prof. Rizzoli: "Unser Ziel ist es, letztendlich eine komplette Nervenzelle zu rekonstruieren". Kombiniert mit funktionellen Studien zur Wechselwirkung einzelner Proteine wäre es damit in Zukunft möglich, zelluläre Funktionen zu simulieren und letztendlich eine "virtuelle Zelle" zu erschaffen.
Eine Videoanimation des Forscherteams zeigt die Proteinvielfalt innerhalb einer Synapse und deren Aufbau (www.sciencemag.org).

Für seinen Ansatz zur Erforschung der molekularen Anatomie von Nervenzellen ist Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli Anfang des Jahres 2014 mit dem ERC Consolidator Grant 2013 ausgezeichnet worden. "Das Ergebnis der Forschungsarbeiten von Prof. Rizzoli ist spektakulär", sagt Prof. Dr. Heyo Kroemer, Sprecher des Vorstandes der UMG und Dekan der Medizinischen Fakultät. "Mit dieser hochpräzisen Synapsendarstellung bieten sich der medizinischen Forschung in naher Zukunft völlig neue Ansatzmöglichkeiten. Auch dieses Ergebnis belegt, dass die Universitätsmedizin Göttingen attraktive Rahmenbedingungen für internationale Spitzenforschung bietet." Prof. Dr. Mathias Bähr, Sprecher des CNMPB, sagt: "Wir freuen uns, dass es Prof. Rizzoli so schnell gelungen ist, seine Vorhaben so erfolgreich umzusetzen. Diese Studie trägt dazu bei, die generelle Proteinverteilung in gesunden Nervenzellen zu verstehen. Dies kann in Zukunft auch dazu beitragen, Veränderungen in der neuronalen Anatomie zu identifizieren, die durch neurodegenerative Erkrankungen, wie dem Morbus Parkinson, entstehen."

WEITERE INFORMATIONEN:
Universitätsmedizin Göttingen, Georg-August-Universität
Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie
European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G), Grisebachstr. 5, 37077 Göttingen
Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli, Telefon +49 (0) 551 39-33630
srizzol@gwdg.de

CNMPB - Zentrum für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns Exzellenzcluster 171 - DFG-Forschungszentrum 103
Humboldtallee 23, 37073 Göttingen
Dr. Heike Conrad, Telefon 0551 / 39-7065
Wissenschaftliche Koordination, Presse und Öffentlichkeitsarbeit
heike.benecke@med.uni-goettingen.de

Volker Haucke Ph.D.
Professor of Molecular Pharmacology
Leibniz Institut für Molekulare Pharmakologie
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