45 auf einen Streich: Wie sich Proteine in lebenden Synapsen bewegen

Wissenschaftlern der Universität Göttingen ist es gelungen, die Bewegungen von 45 Proteinen in einer Zelle simultan sichtbar zu machen. Daraus lassen sich auch Bewegungsprofile Tausender Proteinmoleküle in einer Synapse ableiten.

Die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen wurden in den letzten Jahrzehnten ausgiebig untersucht. Diese Erkenntnisse haben dazu beigetragen, noch besser zu verstehen, wie das Gehirn auf molekularer Ebene funktioniert. So gibt es detaillierte Erkenntnisse über Identität, Anzahl und Positionen der in den Synapsen vorhandenen Proteinmoleküle. Über die Dynamik und Mobilität von Proteinen in lebenden Synapsen hingegen weiß man bislang eher wenig. Die Bewegungsprofile der wichtigsten synaptischen Proteine zu entschlüsseln, würde allerdings dabei helfen zu verstehen, wie diese an der synaptischen Signalübertragung beteiligt sind, und welche möglichen Mechanismen es sind, die ihre Verteilung in den Synapsen regulieren.

Einem Team von WissenschaftlerInnen um Prof. Silvio O. Rizzoli, Direktor des Instituts für Neuro- und Sinnesphysiologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG), und Prof. Sarah Köster, Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen, ist es nun erstmals gelungen, die Bewegungen von 45 Proteinen in einer Zelle simultan sichtbar zu machen. Die zeitgleiche Darstellung liefert ein realistisches Bild der Bewegungsprofile Tausender Proteinmoleküle in einer Synapse. Die Proteinmoleküle bilden sich dabei in Form und Größenverhältnis wirklichkeitsnah ab.

Die Ergebnisse der Studie decken auf, dass die Mobilitätsparameter mit dem Vorhandensein verschiedener Proteinbausteine korrelieren. Die Mobilität der Proteine wird auf Proteinebene durch das Vorhandensein verschiedener Aminosäuren in der Proteinsequenz beeinflusst und auf RNA-Ebene durch das Vorhandensein bestimmter Nukleotide in der mRNA-Sequenz.

„Unser gesamter Datensatz kann weltweit von Laboratorien genutzt werden, die auf neuronale und synaptische Modellierung spezialisiert sind und sich mit der Erstellung von Multi-Reaktionsmodellen der Synapse beschäftigen“, sagt Rizzoli, Senior-Autor der Studie. „Wichtige Details über die synaptische Aktivität bei Gesundheit sowie bei neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen können mit Hilfe solcher Visualisierungsstudien aufgedeckt werden“, so Rizzoli.

Die Forschungsergebnisse im Detail

Bisher konnte in Synapsen von Nervenzellen lediglich die Mobilität einiger weniger einzelner Proteine nachvollzogen werden. Die Darstellung von Bewegungen mehrerer verschiedener Proteine in einer komplexen Umgebung, wie der lebenden Synapse, zu messen, war bisher nicht möglich. Ziel der Studie war es daher, einen vergleichenden Datensatz über die Mobilität von bis zu 50 verschiedenen Proteinen in Synapsen und Axonen lebender Nervenzellen im (Hippocampus zu erhalten. „Wir wollten verstehen, was die Proteinverteilung und -mobilität in den Synapsen reguliert, und was dabei der Beitrag des synaptischen Vesikel-Clusters ist. Und wir wollten die Verbindungen zwischen Proteinmobilität und verschiedenen funktionellen Proteinparametern analysieren“, sagt Sofiia Reshetniak, Doktorandin am Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie.

Für ihre Untersuchungen kombinierten die WissenschaftlerInnen verschiedene Methoden: die FRAP-Technik (Fluorescence Recovery after photobleaching), bei der die Regeneration der Fluoreszenz nach Belichtung gemessen wird, die Partikelverfolgung, die Elektronenmikroskopie und die In-silico-Modellierung. Damit gelang es ihnen, die Mobilität von insgesamt 45 verschiedenen Proteinen in lebenden Nervenzellen zu analysieren. Darüber hinaus wurden die Bewegungsgeschwindigkeiten in Form von Diffusionskoeffizienten in Synapsen und Axonen ermittelt. „Interessanterweise hat die Größe der Proteine nur einen sehr begrenzten Einfluss auf ihre Mobilität“, sagt Köster. “Stattdessen spielt die Proteinassoziation mit dem synaptischen Vesikel-Cluster eine viel wichtigere Rolle.”

Originalveröffentlichung: 
Reshetniak S et al. A comparative analysis of the mobility of 45 proteins in the synaptic bouton. EMBO J, 6. Juli 2020