Weichenstellung für Axonverzweigungen

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Portugal und Frankreich haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) die Prozesse untersucht, die zu Axonverzweigungen führen. Sie fanden einen neuartigen Mechanismus, der die Verzweigung von Mikrotubuli und somit der Axone auslöst. Wie die Forscher berichten, spielt die neu entdeckte Mikrotubuli-Dynamik eine Schlüsselrolle bei der neuronalen Entwicklung.

Um Informationen zu verarbeiten, bilden die Nervenzellen im Gehirn komplexe Netzwerke. Die Verbindungen zu anderen Zellen werden dabei über Dendriten und Axone hergestellt. Die Form des Axons wird durch ein internes System aus Hohlröhrchen, die Mikrotubuli, stabilisiert. Durch Anlagerung der Tubuline an ein Ende können die Mikrotubuli in der Länge wachsen. „Forscher waren bislang nicht in der Lage, den Vorgang der Mikrotubulusverzweigung zu beobachten“, erzählt Nirakar Basnet, Erstautor der Studie. „Wir zeigen, dass sich ein Protein namens SSNA1 an den Stellen ansammelt, an denen Axone Verzweigungspunkte bilden. Da die Axonform ja von den Mikrotubuli abhängt, entstand unsere Vermutung, dass SSNA1 mit den Mikrotubuli interagiert“, so Basnet.

Verzweigungen? Ja, aber nicht zu viele

Diese These war für die Forscher Anlass für die weitere Erforschung des Proteins SSNA1. Sie stellten fest, dass SSNA1 ebenfalls Filamente bildet, die jedoch erheblich dünner sind als die Mikrotubuli. Diese Fasern lagern sich an die Oberfläche des wachsenden Mikrotubulus an und wölben sie nach außen. Die Wölbung zwingt die Mikrotubuli, sich zu verzweigen. Dass schon während ihrer Entstehung Verzweigungen in die Röhren eingebaut werden, ist ein völlig neues Prinzip der Mikrotubuli-Dynamik.

Das Zusammenspiel mit den Mikrotubuli macht SSNA1 für die neuronale Entwicklung unverzichtbar. Ohne SSNA1 bilden die Mikrotubuli nur lange unverzweigte Röhren. In der Folge verzweigen sich auch die Axone nicht. Dennoch muss die Axonverzweigung genau reguliert werden. Erhöhten die Forscher die experimentell die SSNA1-Konzentration in den Zellen, stieg zwar die Zahl der Mikrotubuli, ihre Länge dagegen nahm ab. „Um den Verzweigungsvorgang auszulösen, muss die lokale SSNA1-Konzentration relativ hoch sein”, erklärt Basnet. „Wir vermuten, dass es sich dabei um einen Sicherheitsmechanismus handelt. Dadurch findet die Verzweigung nur an bestimmten Orten innerhalb der Nervenzelle statt.“

Wegweiser für die Axonverzweigung

Naoko Mizuno, Gruppenleiterin am MPIB, bezeichnet SSNA1 als „Wegweiser” für die neuen Äste der Mikrotubuli. „Die Proteine bilden Filamente, die dem neu entstehenden Mikrotubulus den Weg vorgeben. SSNA1 sorgt für den Bau einer Art Eisenbahnweiche, die eine Verzweigung der Gleise ermöglicht. Anders als eine Weiche ist das Protein aber nicht Teil der Konstruktion selbst, sondern zeigt den Verzweigungspunkt von außen an.“ Eine Weiche erhöht die Anzahl der möglichen Zielorte des Zuges. In ähnlicher Weise können auch die verzweigten Axone Verknüpfungen mit einer größeren Anzahl anderer Nervenzellen bilden.

Originalpublikation:
Basnet N. et al.: Microtubule nucleation factor SSNA1 induces direct branched microtubules; its implications in axon branching. Nature Cell Biology 2018;20:1172–1180.