Enzym verhindert, dass Hirnaktivität aus dem Ruder läuft

Das Gehirn verfügt über die Fähigkeit, die Kontakte zwischen den Nervenzellen zu modifizieren. So verhindert es unter anderem, dass die Hirnaktivität aus dem Ruder läuft. Forschende der Universität Bonn haben zusammen mit einem Team aus Australien einen Mechanismus identifiziert, der hierbei eine wichtige Rolle spielt.

Fast 100 Milliarden Nervenzellen verrichten im menschlichen Gehirn ihren Dienst. Jede davon verfügt im Schnitt über 1000 Kontakte zu anderen Neuronen und gibt über Synapsen Informationen weiter.

Ausgeklügelte Kontrollmechanismen

Beim Lernen werden bestimmte Synapsen gestärkt: Schon ein schwacher elektrischer Reiz des Sender-Neurons reicht dann aus, um in der Empfängerzelle eine starke Antwort auszulösen. Wenig genutzte Synapsen verkümmern dagegen. Zusätzlich verhindern ausgeklügelte Kontrollmechanismen, dass sich die elektrische Aktivität im Gehirn zu stark ausbreiten kann – oder im Gegenteil zu schnell wieder versiegt. „Wir sprechen auch von synaptischer Homöostase“, erklärt Prof. Dirk Dietrich von der Klinik für Neurochirurgie am Universitätsklinikum. „Sie sorgt dafür, dass sich die Hirnaktivität stets in einem gesunden Bereich befindet.“

Welche Prozesse dieses Gleichgewicht aufrechterhalten, ist bislang aber erst in Teilen verstanden. Ein Mechanismus, mit dem das Gehirn auf langanhaltende Veränderungen der neuronalen Aktivität reagiert, ist die sogenannte homeostatische Plastizität. „Wir konnten nun zeigen, dass ein Protein namens RIM1 eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielt“, erklärt Prof. Susanne Schoch McGovern von der Klinik für Neuropathologie am Universitätsklinikum Bonn. RIM1 kommt gehäuft in der „aktiven Zone“ der Präsynapse vor – das ist der Bereich, an dem die Neurotransmitter ausgeschüttet werden.

Wie jedes Protein besteht RIM1 aus einer großen Zahl aneinanderhängender Aminosäuren. Die Forschenden haben nun nachgewiesen, dass manche dieser Aminosäuren durch ein Enzym mit einer Phosphatgruppe verknüpft werden. Je nachdem, welche Aminosäure so modifiziert wird, kann die Präsynapse danach mehr oder auch weniger Botenstoff freisetzen. Die Phosphatgruppen bilden sozusagen das „Gedächtnis“ der Synapsen, mit dem diese das aktuelle Aktivitätsniveau in Erinnerung behalten. „In der Präsynapse stehen transmittergefüllte Bläschen wie die Pfeile eines gespannten Bogens zum Abschuss bereit“, sagt Dietrich. „Sobald ein Spannungspuls einläuft, werden sie blitzschnell freigesetzt. Die Phosphorylierung verändert die Zahl dieser Bläschen.“

Synapse ruft mit lauterer Stimme

Kann die Präsynapse dadurch mehr Bläschen „verschießen“, wird ihr Ruf über den synaptischen Spalt bildlich gesprochen lauter. Nimmt dagegen die Zahl der Bläschen durch Veränderungen im Phosphorylierungsstatus von RIM1 stark ab, ist der Ruf kaum noch hörbar. „Welcher Effekt eintritt, hängt von der phosphorylierten Aminosäure ab“, sagt Dr. Johannes Alexander Müller aus der Arbeitsgruppe von Schoch McGovern.

Über RIM1 kann das Gehirn die Aktivität einzelner Synapsen also vermutlich sehr genau einstellen. Eine weitere Schlüsselrolle spielt dabei das Enzym SRPK2: Es hängt die Phosphatgruppen an die Aminosäuren von RIM1. Daneben gibt es aber noch weitere Akteure – zum Beispiel Enzyme, die die Phosphatgruppen im Bedarfsfall wieder entfernen. „Wir gehen davon aus, dass ein ganzes Netzwerk von Enzymen existiert, die auf RIM1 einwirken, und dass sich diese Enzyme auch gegenseitig in ihrer Aktivität steuern“, erklärt Dietrich.

Das synaptische Gleichgewicht ist immens wichtig; ist es gestört, können Krankheiten wie die Epilepsie, aber möglicherweise auch Schizophrenie oder Autismus die Folge sein. Interessanterweise ist die Erbinformation für RIM1 bei Menschen mit diesen psychischen Störungen oft verändert. Damit ist das RIM1-Protein bei ihnen eventuell weniger funktionsfähig. „Wir wollen diese Zusammenhänge nun weiter aufklären“, sagt Schoch McGovern, die auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Leben und Gesundheit“ ist. „Vielleicht erwachsen aus unseren Ergebnissen langfristig neue Therapie-Optionen für diese Erkrankungen, auch wenn es bis dahin sicher noch ein weiter Weg ist.“