Die räumliche Organisation einer Nervenzelle beeinflusst den Abbau ihrer Fortsätze

Entwickelt sich das Nervensystem, bauen sich unspezifische Verknüpfungen von Nervenzellen ab. Forscher des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ haben nun herausgefunden: Die räumliche Organisation einer Nervenzelle beeinflusst den Abbau ihrer Zellfortsätze.

Bei der Entwicklung des menschlichen Nervensystems verknüpfen sich Milliarden von Nervenzellen, um miteinander zu kommunizieren. Dazu dienen ihnen ihre charakteristischen langen Fortsätze – die Axone und Dendriten. Falsch verknüpfte Fortsätze oder solche, die keine Funktion mehr haben, bauen sich allerdings im Laufe der Entwicklung wieder ab – wobei sich nur der Teil eines Fortsatzes zurückbildet, der nicht mehr benötigt wird. Aber wie bestimmen Nervenzellen, welcher Teil von Axonen oder Dendriten abgebaut werden soll und welcher erhalten bleibt?

Forscher des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Universität Münster haben nun erstmals einen Zusammenhang zwischen der räumlichen Organisation einer Nervenzelle und dem Abbau ihrer Fortsätze entdeckt. Sie untersuchten in Fruchtfliegen, wie bestimmte Nervenzellen während der Entwicklung ihre Dendriten abbauen und fanden heraus: Die Art und Weise, wie Bestandteile des Zellskeletts in den Dendriten angeordnet sind, beeinflusst, in welche Richtung diese abbrechen.

„Zum ersten Mal haben wir Hinweise darauf, wie der Abbauprozess der Nervenzellfortsätze räumlich reguliert wird“, sagte Dr. Sebastian Rumpf, Nachwuchsgruppenleiter am Exzellenzcluster und Leiter der Studie. Die Ergebnisse sollen langfristig dazu beitragen, besser zu verstehen, wie sich das Nervensystem entwickelt und sich Nervenbahnen im Gehirn korrekt miteinander verknüpfen.

Bereits in einer früheren Studie hatte die Forschergruppe herausgefunden, dass Bestandteilen des Zellskeletts, den röhrenförmigen Mikrotubuli, eine Schlüsselfunktion beim Abbau von Nervenzellfortsätzen (Pruning) zukommt. „Sie fallen auseinander, wodurch sich dann auch die Dendriten abbauen. Dieser Prozess wird initiiert durch ein Signalprotein, das wir im vergangenen Jahr entdeckt haben“, erklärte Dr. Svende Herzmann, Erstautorin der vorherigen und auch der aktuellen Studie. „Nun wollten wir wissen, welche räumlichen Aspekte innerhalb der Zelle dabei eine Rolle spielen.“

Die Wissenschaftler schalteten ein wichtiges Motorprotein, das Kinesin, genetisch aus und konnten so die ursprünglich korrekte Ausrichtung der Mikrotubuli in den Nervenzellen von Fruchtfliegenlarven verändern. Sie sahen sich diese unter dem Mikroskop an und stellten fest, dass nun der Abbau der Dendriten nicht mehr richtig funktionierte. „Es gibt also eine Korrelation zwischen der räumlichen Organisation der Zelle und dem Pruning“, sagte Rumpf. „Das ist eine extrem spannende Hypothese, die wir in weiteren Studien aber festigen müssen.“

In nächsten Schritten wollen sich die Wissenschaftler mithilfe hochauflösender Mikroskopie die besonderen Vorgänge an den Verästelungspunkten noch detaillierter ansehen und so noch mehr über die Mechanismen herausfinden, die den Abbau der Nervenzellfortsätze regulieren.

Originalpublikation:
Herzmann S et al.: Spatial regulation of microtubule disruption during dendrite pruning in Drosophila. Development 2018;145.