Was treibt das Gedächtnis an?

Mitochondrien in den Dendriten von Neuronen sorgen nicht nur dafür, dass in den Zellfortsätzen genug Energie für die Proteinsynthese vorhanden ist, sie sind auch für die synaptische Plastizität unerlässlich. Das zeigt eine Untersuchung am Max-Planck-Institut für Hirnforschung.

Um sowohl schnell als auch angemessen auf Impulse reagieren zu können, müssen Gehirnzellen Proteine direkt zur Hand haben, d.h. nicht nur im Zellkörper, sondern auch in ihrer Peripherie: den Axonen, Dendriten und Synapsen, wo der Informationsfluss zwischen Neuronen stattfindet. Um Proteine lokal zu synthetisieren, müssen messengerRNAs, Ribosomen sowie die notwendige Energie in der Nähe und frei verfügbar sein. Forscher am Max-Planck-Institut für Hirnforschung haben nun mit hochauflösenden Bildgebungstechniken Mitochondrien in Dendriten untersucht. Sie fanden heraus, dass Mitochondrien innerhalb von Dendriten positioniert sind, um in der Nähe von Synapsen zu sein. Darüber hinaus zeigten sie, dass diese Organellen nicht nur die Hauptenergiequelle für die lokale Translation sind, sondern auch für die synaptische Plastizität – ein für die Gedächtnisbildung wichtiger Mechanismus.

“Die Proteinsynthese in Dendriten ist eine wichtige Proteinquelle für Synapsen, aber über den Zusammenhang zwischen Energieversorgung und der dendritischen Synthese von Proteinen ist wenig bekannt”, sagte Max-Planck-Direktorin Prof. Erin Schuman. Zusammen mit ihren Kollegen Vidhya Rangaraju und Marcel Lauterbach berichtet sie, dass räumlich stabile mitochondriale Kompartimente die dendritische Translation während der synaptischen Plastizität aktivitätsabhängig anregen.

Mithilfe hochauflösender Mikroskopie konnten die Forscher nicht nur die Mitochondrien in Dendriten visualisieren, sondern auch deren Bewegung über die Zeit überwachen. Schuman: “Dendritische Mitochondrien sind überraschend stabil. Sie werden über das Zytoskelett verankert und können sogar über eine Stunde an Ort und Stelle bleiben.”

Darüber hinaus haben die Forscher mit einer optischen Technik ein mitochondriales Kompartiment mit Licht deaktiviert und gezeigt, dass lokal stabilisierte einzelne mitochondriale Kompartimente tatsächlich die Energieversorgung für die lokale Proteinsynthese liefern. “Es wurde bereits früher gezeigt, dass die translatorische Maschinerie, die für die Durchführung der lokalen Proteinsynthese erforderlich ist, in den Dendriten lokalisiert ist, darüber hinaus zeigen wir hier, dass die Energiequelle für die lokale Proteinsynthese ebenfalls dort angesiedelt ist”, ergänzte Rangaraju.

Die Blockade der lokalen Funktion der Mitochondrien verhinderte sogar die mit der synaptischen Plastizität verbundenen strukturellen neuronalen Veränderungen. “Lokale Mitochondrien sind für die Plastizität des Gehirns unerlässlich, wie sie beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung auftritt. Diese Ergebnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern könnten auch neue Erkenntnisse über die mitochondriale Dysfunktion bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen liefern”, sagte Schuman.

Originalpublikation:
Rangaraju V. et al.: Spatially Stable Mitochondrial Compartments Fuel Local Translation during Plasticity.
Cell, 3. Januar 2019