Einblicke in die Synapsen

„Abstand halten“ ist nicht gerade die Devise der Glutamat-Rezeptoren: Mit hochauflösender Mikroskopie wurde nun entdeckt, dass sie an den Synapsen meist in Grüppchen auftreten und mit anderen Proteinen in Kontakt stehen.

Glutamat ist ein wichtiger Botenstoff im Nervensystem des Menschen der eine Rolle bei Lernvorgängen und dem Erinnerungsvermögen spielt. Manche Alzheimer-Medikamente zum Beispiel verlangsamen das Fortschreiten der Erkrankung, indem sie die Wirkung von Glutamat hemmen.

Im Nervensystem wirkt Glutamat als Signalüberträger an den Synapsen. Dort bindet es an spezifische Rezeptoren, von denen es mehrere Typen gibt. Eine entscheidende Rolle in diesem System spielt der metabotrope Glutamat-Rezeptor vom Typ 4 (mGluR4).

Direkter Kontakt zu anderen Proteinen

Bislang war nicht viel über die Verteilung dieses Rezeptors in den aktiven Zonen der Synapsen bekannt. Nun steht fest: Die meisten mGluR4-Rezeptoren halten sich in Grüppchen von im Mittel ein bis zwei Einheiten in der präsynaptischen Membran auf. Dort befinden sie sich oft in direktem Kontakt mit Calciumkanälen und einem weiteren Protein (Munc-18-1), das für die Freisetzung von Nervenbotenstoffen wichtig ist.

Das berichtet ein Forschungsteam um die Professoren Markus Sauer vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und Davide Calebiro von der Universität Birmingham im Fachjournal Science Advances. „Unsere Daten weisen darauf hin, dass der direkte Kontakt der mGluR4-Rezeptoren mit den anderen Schlüsselproteinen bei der Regulation der Synapsenaktivität eine große Rolle spielt“, sagt Sauer.

Aktive Zonen sind dicht bepackt

Das neue Wissen wurde mit der hochauflösenden Mikroskopie-Methode dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy) gewonnen. Die Methode wurde im Jahr 2008 in Sauers Team entwickelt. Mit ihr lassen sich selbst in den sehr kleinen und dicht mit Molekülen bepackten aktiven Zonen der Synapsen einzelne Moleküle lokalisieren. Mit der herkömmlichen Lichtmikroskopie gelingt das nicht.

„Erstmals haben wir nun Einblicke in die molekulare Organisation der komplexen Proteinmaschinen, die die Signalübertragung an den Synapsen unseres Gehirns steuern“, so Calebiro. Nur mit diesem Wissen könne man irgendwann verstehen, wie das Gehirn funktioniert und wie es Information auf verschiedenen Zeitskalen verarbeitet.

Als nächstes wollen die Forschungsteams mit dSTORM klären, wie die Gesamtheit der Proteine in der aktiven Synapsenzone verteilt sind. Sie gehen davon aus, dass mehr als 100 Proteine an der Signalübertragung in den aktiven Zonen beteiligt sind.