Wie Matrix-Recycling das Gehirn flexibel hält

Forschende des Göttinger Exzellenzclusters “Multiscale Bioimaging” haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der zum Erhalt der synaptischen Plastizität im erwachsenen Gehirn beiträgt.

Im Gehirn bildet die extrazelluläre Matrix ein stabiles, netzartiges Gerüst, das die Nervenzellen und Synapsen umhüllt und wichtige Leitfunktionen erfüllt. Die außergewöhnliche Langlebigkeit ihrer Bestandteile verleiht der extrazellulären Matrix eine einzigartige Dauerhaftigkeit. Diese stabilisiert die neuronalen Schaltkreise, schränkt damit aber auch deren Anpassungsfähigkeit durch Umbau (Plastizität) ein.

Um die Funktion des Nervensystems dauerhaft zu gewährleisten, verfügt die EZM Erwachsener dennoch über eine gewisse Umbaufähigkeit. Dabei spalten zinkhaltige Enzyme, sogenannte Matrix-Metalloproteinasen, das Gitter in der Nähe der Synapsen und ermöglichen die Einbettung neugebildeter Bestandteile. Dies ist ein für die Zelle recht kostspieliger Prozess.

Strukturelle Veränderungen an Synapsen kommen erstaunlich häufig vor. Die Frequenz liegt dabei auf einer Zeitskala von Minuten bis Stunden. Die Hypothese der Göttinger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lautete daher: Es muss ein zusätzlicher, weniger energieaufwendiger Umbaumechanismus existieren, der auf Recycling anstelle von Neubildung der EZM-Komponenten setzt und eng mit der synaptischen Aktivität verbunden ist. Ein solcher Mechanismus würde der EZM die Flexibilität verleihen, die für häufige synaptische Veränderungen erforderlich ist.

Um diese Hypothese zu prpfen, konzentrierte sich das Team um Prof. Silvio O. Rizzoli auf einen bekannten Bestandteil der extrazellulären Matrix, das Glykoprotein TNR. Die Kombination aus superauflösender Fluoreszenzbildgebung und Sekundärionen-Massenspektrometrie brachte die entscheidenden Einblicke. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich ein Pool mobiler TNR-Moleküle an den Synapsen anreichert und über einen überraschend langen Zeitraum von etwa drei Tagen in die EZM ein- und wieder austritt. Mehr noch: Die TNR-Moleküle werden im Körper von Nervenzellen bis zum Golgi-Apparat transportiert. Dort werden sie, so vermuten die Forschenden, durch Anhängen von Kohlenhydraten (Glykosylierung) umgebaut, um dann erneut zu den Synapsen transportiert zu werden. Zudem konnte eine Verbindung zwischen dem Ausmaß des TNR-Recyclings und der synaptischen Aktivität hergestellt werden.

„Unsere Ergebnisse belegen, dass die extrazelluläre Matrix im Nervensystem wesentlich plastischer ist als bisher angenommen. Wir nehmen an, dass dieser Mechanismus nicht auf das TNR-Protein beschränkt ist, sondern auch andere Bestandteile der EZM betrifft“, sagt Erstautorin Dr. Tal Dankovich. „Die Erkenntnisse dieser Studie eröffnen ein völlig neues Untersuchungsfeld, das sich nicht nur für das Verständnis der EZM-Regulierung im Gehirn, sondern auch für die Plastizität und Stabilität des Gehirns im Allgemeinen als wichtig erweisen dürfte“, ergänzt Rizzoli, Seniorautor der Studie.

Es ist bekannt, dass eine Vielzahl von Gehirnerkrankungen mit EZM-Veränderungen einhergehen. Daher dürften sich diese Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung den Wissenschaftlern zufolge in Zukunft auch als bedeutsam für die klinische Forschung erweisen.