Nanodomänen an der neuronalen Kommunikation beteiligt

Die synaptische Plastizität spielt eine wichtige Rolle für Lernen und Gedächtnis. Gemeinsam mit Kollegen aus Paris hat eine Arbeitsgruppe der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) nun dargestellt, wie Nanodomänen die neuronale Kommunikation mitgestalten.

Für die Informationsübertragung zwischen Nervenzellen und die synaptische Plastizität ist die Dynamik der beteiligten Moleküle – dazu gehören außer spannungsabhängigen Kalziumkanälen auf der „Senderseite“ und Rezeptoren für die neuronalen Botenstoffe auf der „Empfängerseite“ auch synaptische Adhäsionsmoleküle – von großer Bedeutung.

Diese Dynamik lässt sich mithilfe der Lokalisationsmikroskopie beobachten. Die Moleküle erhalten eine fluoreszierende Markierung und können mit superauflösenden Mikroskopen in lebenden Nervenzellen verfolgt werden. „Wir können einzelne Moleküle lokalisieren, ihre Bewegung nachverfolgen und die Bewegungsbahn nachzeichnen“, erklärt Prof. Martin Heine.

Mit mathematischen Methoden lässt sich dann ermitteln, wie frei sich das Molekül bewegen kann beziehungsweise in welcher Dichte die Moleküle in den Nano-Kompartimenten vorhanden sind. „Das heißt, wir haben die Möglichkeit, kleinste Veränderungen in der Verteilung der Einzelmoleküle zu beobachten und mit der Aktivität der Synapsen abzugleichen.“ Die Synapsen unterliegen einem ständigen Auf- und Abbau. Rezeptoren werden hier laufend in ihrer Anordnung und Dichte verändert.

Signalmoleküle auf Nanoebene unterschiedlich organisiert

„Interessanterweise ist die Organisation der wichtigen Signalmoleküle auf der Nanoebene sehr unterschiedlich“, schreiben Heine und Dr. David Holcman, Forschungsdirektor für Angewandte Mathematik und Computergestützte Biologie an der École Normale Supérieure in Paris, in ihrem Beitrag. Die Kontaktstellen vor und hinter dem synaptischen Spalt haben jeweils einen Durchmesser von 200 bis 500 Nanometer – das entspricht in etwa der Größe der kleinsten Bakterien.

Konkret sind beispielsweise präsynaptische Kalziumkanäle und postsynaptische Ionenkanäle wie die AMPA-Rezeptoren, an denen der Botenstoff Glutamat andockt, in Nanodomänen organisiert. Eine Nanodomäne ist charakterisiert durch die Dichte der Moleküle: Je dichter sie auftreten, desto mehr wird ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt und desto schwieriger wird es für die Moleküle, aus dieser Nanodomäne zu entkommen. Vielfältige Interaktionen können die Verweildauer der Moleküle in den Nanodomänen bestimmen. Während sowohl die prä- als auch die postsynaptischen Nanodomänen eine hohe Dichte an Molekülen aufweisen, unterscheiden sie sich wesentlich in der Verweildauer der Moleküle – und beeinflussen damit die synaptische Übertragung.

Alternatives Spleißen verändert Struktur von Kalziumkanälen

In Zukunft wird die Arbeitsgruppe von Heine weiter an Kalziumkanälen und mit ihnen assoziierten Molekülen forschen. Ein noch sehr wenig verstandenes Phänomen ist das sogenannte alternative Spleißen, wodurch die Struktur von Molekülen verändert werden kann. Dies gilt auch für Kalziumkanäle, die dadurch die Kurzzeitplastizität unterschiedlich beeinflussen können, wie die Arbeitsgruppe von Heine darstellen konnte.

Obwohl es sich hier um reine Grundlagenforschung handelt, ist zu erwarten, dass die tiefere Kenntnis von Struktur und Funktion der Kalziumkanäle auch therapeutisch von Bedeutung sein wird. „Wir gehen davon aus, dass alternatives Splicing zellspezifisch die Funktion der Kanäle reguliert. Interessant wird es zu erfahren, welche Faktoren das alternative Spleißen auslösen und steuern“, sagt Heine.