Wie Millionen unserer Nervenzellen einzigartig werden

Wie ist es möglich, dass sich im Gehirn so unterschiedliche und hochspezifische Nervenzellen bilden? Ein mathematisches Modell von Forschern am Biozentrum der Universität Basel zeigt, dass es unterschiedliche Varianten von Genen sind, die per Zufall eine solche Vielfalt ermöglichen. Trotz der Menge an neugebildeten Nervenzellen können die Genvarianten Neuronen individuell und präzise für ihre spezifische Funktion ausrüsten.

Das Gehirn ist das komplexeste Organ unseres Körpers und besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen. Damit die Informationsströme fehlerfrei fließen und alle Funktionen ausgeübt werden können, müssen die unterschiedlichen Zellen so programmiert sein, dass sie sich mit dem richtigen Interaktionspartner verbinden. Welche Funktion die Nerven bekommen, legen die Gene fest. Die rund 30.000 verschiedenen Gene reichen jedoch allein nicht aus, um die nötige Vielfalt individueller Nervenzellen zu erzeugen.

Das Team um Prof. Attila Becskei vom Biozentrum der Universität Basel hat nun embryonale Stammzellen bei ihrer Reifung zu Neuronen untersucht und ein mathematisches Modell zur Entwicklung entworfen. Dieses veranschaulicht, wie die Vielfalt und Präzision der Neuronen durch Genvarianten, sogenannte Isoformen, erreicht wird.

Genvarianten ermöglichen Individualität

Die unterschiedlichen Varianten einzelner Gene ermöglichen, dass individuelle Nervenzellen mit einer großen Vielfalt entstehen können. “Erst die Kombination der Isoformen macht es möglich, unterschiedliche Populationen von Neuronen aus einer recht begrenzten Anzahl an Genen zu erzeugen. Die Kombinationen entstehen bei der zufälligen Auswahl von Isoformen.” Diese Zufälligkeit könne jedoch zu starken Schwankungen bei der Anzahl der exprimierten Isoformen in den einzelnen Zellen führen, sagte Becskei weiter. Eine gleiche oder ähnliche Anzahl der exprimierten Gene in jeder Zelle ist jedoch wichtig, damit die Neuronen spezifische Interaktionen mit anderen Neuronen eingehen.

Exklusivität trotz Masse

Bei der Entwicklung von individuellen Nervenzellen handelt es sich also um eine Art Massenproduktion nach dem Zufallsprinzip. Wie am Fließband entstehen Millionen von Nervenzellen. Wie kann Präzision dabei erreicht werden? Das Ergebnis hat die Forscher überrascht: “Unser mathematisches Modell zeigt, dass sich kombinatorische Vielfalt und Präzision nicht ausschließen, sondern Hand in Hand gehen”, erklärte Becskei. Anders als bislang angenommen erhöhen sich gleichzeitig die Anzahl verschiedener Isoformen in einer Zelle und die exklusive Präzision während der Reifung der Nervenzellen. Kurz gesagt: Je mehr Isoform-Varianten, desto exklusiver und gleichmäßiger ihre Verteilung in den einzelnen Nervenzellen.

Da jedes Gen unterschiedlich abgelesen wird und nicht alle gleichermaßen Isoformen bilden, lassen sich die Ergebnisse nicht auf alle Gene übertragen. Zukünftig möchte das Forschungsteam von Becskei daher weitere Gene untersuchen und erforschen, mit welcher Strategie sie Individualität von Nervenzellen gewährleisten. Mit welcher Funktion die jeweilige Individualität einer Nervenzelle verknüpft ist, wäre eine weitere Fragestellung.

Originalpublikation:
Wada T. et al.: Stochastic gene choice during cellular differentiation. Cell Reports 2018;24(13):3503-3512.