Protein und Nervenzelle

Ein einzelnes Protein regt eine Schlüsselverbindung zwischen Nervenzellen an

Hoffnung für die Behandlung geistiger Behinderungen und für die Regeneration von Nerven?

Wissenschaftler der University Of California in San Francisco (UCSF) haben ein Protein gefunden, dass die Bildung von Synapsen, also den Strukturen, mit der eine Nervenzelle mit einer anderen zur Signalübertragung in Verbindung tritt, fördert. Die Bildung von Synapsen ist ein Schlüsselereignis bei der Entstehung funktionstüchtiger Verschaltungen zwischen Nervenzellen.

Die Entdeckung des für die Gehirnentwicklung, für das Lernen und Erinnern wichtigen Proteins bringt einen neuen Aspekt in die Forschung. Mit diesem Wissen könnten neue Methoden zur Behandlung von geistigen Behinderungen oder von zerstörten Nerven, z.B. nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung, entwickelt werden.

Die Ergebnisse der Studie, die in Science vom 17.November veröffentlicht sind, weisen darauf hin, dass ein bestimmtes Protein, das PSD-95, mehrere Aufgaben übernimmt: Es unterstützt den Bau des physischen Gerüstes der Synapsen - dies ist notwendig, um einen Neurotransmitter von der prä- zur postsynaptischen Zelle, also von der Ausgangs- zur Zielzelle, zu übermitteln.

Zudem vergrößert PSD-95 die Menge der Glutamatrezeptoren - diese befinden sich auf der Zielzelle - also der postsynaptischen Seite - und binden den Nervenbotenstoff Glutamat. Überdies erhöht es die Anzahl und Größe der Zellauswüchse ("Dendritendornen") auf denen die Rezeptoren sitzen. Außerdem erhöht das Protein an der Ausgangszelle (der präsynaptischen Nervenzelle) die Menge des ausgeschütteten Neurotransmitters Glutamat.

Diese Ergebnisse deuten nach David S. Bredt, Physiologe an der UCSF und einer der Autoren der Studie, darauf hin, dass dieses Protein ein Grundstein für die Bildung synaptischer Strukturen sei, die mittels Glutamat ein Signal von einer Zelle zur nächsten übermitteln. Glutamat ist der wichtigste die nachfolgende Zelle erregende Neurotransmitter im Gehirn und Rückenmark; es ist für uns der Motor, wie wir unsere Umwelt wahrnehmen, uns bewegen, fühlen, lernen und uns erinnern.

Die UCSF Forscher führten ihre Studie an kultivierten Nervenzellen des Hippocampus', einer Gehirnstruktur, die an Lernen und Erinnern beteiligt ist, durch. Für die Untersuchungen manipulierten sie die Nervenzellen so, dass diese in einem frühen Entwicklungsstadium der Glutamat-Synapsen eine größere Menge PSD-95 als normal in der postsynaptischen Membran des Neurons - der Stelle, an der das Protein normalerweise lokalisiert ist - produzierten.

Überraschenderweise fanden die Forscher, dass PDS-95 nicht nur auf der postsynaptischen Seite die Entwicklung beeinflusst, sondern dass es auch das Heranreifen der präsynaptischen Nervenzellendigung, die den Neurotransmitter ausschüttet, anregt. Unter normalen Bedingungen scheint, nach Bredt, das Aufkommen des Proteins auf der postsynaptischen Seite reguliert zu werden.

Der nächste Schritt in der Forschung sei zu verstehen, wie das Protein PSD-95 auf molekularer Ebene als Auslöser für diese neuronalen Effekte wirkt.

Die verzögerte geistige Entwicklung bei Menschen ist mit einem Schaden an den Dendritendornen der postsynaptischen Neurone, die eine Rolle für die Glutamat vermittelten Botschaften spielen, assoziiert. Wie die Studie zeigt, erhöht PSD-95 die Anzahl und Größe dieser Dornen. Eine auf PSD-95 basierende Gentherapie könnte so zur Anregung ihres Wachstums effektiv sein und die Krankheit wäre behandelbar. Genauso könnte eine PSD-95 Gentherapie zur Ausbildung von Glutamatrezeptoren herangezogen werden. Damit wäre eine Regeneration der Nerven nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung denkbar.

Es wird angenommen, dass Glutamat der Schlüssel zur Plastizität ist - zu der Fähigkeit des Gehirns, mentale und physikalische Fertigkeiten nach einer Verletzung neu zu erlernen und sich an neue Umstände anzupassen. Der Neurotransmitter verbreitet sich, nachdem er auf der präsynaptischen Seite von einer Nervenzelle ausgeschüttet wurde, über den synaptischen Spalt zu der postsynaptischen Zielzelle und regt dort den entsprechenden Rezeptor, den sogenannten NMDA (N-Methyl-D-Aspartat)-Rezeptor, an. Dieser dient dem Verstärken der neuronalen Kreisläufe zwischen den Nervenzellen, die beispielsweise Erinnerungen speichern. Sofort wird die Reaktion auf dieses Signal in dieser Zelle an eine weitere Zelle weitergeleitet und dann an noch eine und so fort - schließlich eine Welle von Reaktionen im Gehirn verursachend.

Überraschenderweise ist jedoch eine zu hohe Glutamatkonzentrationen für Neuronen hochgiftig, es kommt zu einer Gehirnschädigung - wie nach einem Schlaganfall oder bei neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer. Pharmaka, die den Glutamat-Rezeptor selektiv blockieren, könnten Schutz gegen die toxische Wirkung des Glutamats bieten und werden gegenwärtig erforscht. Ist ein Weg gefunden, wie die glutamatgesteuerte Zellkommunikation unterbunden werden kann, ist auch eine Alternative gefunden die, durch diese Krankheiten ausgelöste, Glutamatexzitotoxität zu behandeln und PSD-95 könnte wieder wirksam, beispielsweise zur Regeneration von Nerven, eingesetzt werden.