Wie Proteine die Informationsverarbeitung im Gehirn steuern

Ein kompliziertes Zusammenspiel verschiedener Proteine ist nötig, damit Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten gelangen können. Ein Forscherteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) hat diesen Prozess nun in den synaptischen Vesikeln untersucht, die dabei eine wichtige Rolle spielen. 

Mehrere Milliarden Nervenzellen kommunizieren im Körper miteinander, damit Menschen oder andere Lebewesen ihre Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren können. Dabei laufen innerhalb weniger Millisekunden unzählige komplexe chemische und elektrische Prozesse ab. “In den Synapsen der Nervenzellen werden Neurotransmitter freigesetzt, die die Informationen zwischen den einzelnen Nervenzellen übertragen”, erklärt Jun.-Prof. Carla Schmidt vom Zentrum für Innovationskompetenz HALOmem an der MLU.

Diese Botenstoffe sind in kleine Bläschen, die synaptischen Vesikel, verpackt. Letztere verschmelzen auf einen elektrischen Impuls hin mit der Zellmembran und schütten so die Botenstoffe aus, die wiederum von speziellen Rezeptor-Proteinen der folgenden Nervenzelle erkannt werden. Damit das gelingt, arbeiten zahlreiche Proteine zusammen, sie greifen wie Zahnrädchen in einem Uhrwerk ineinander. Bislang wisse man aber noch zu wenig darüber, wie dieser Prozess im Detail abläuft, sagt Schmidt.

Die Forscherinnen und Forscher untersuchten diesen Prozess nun mithilfe einer speziellen Form der Massenspektrometrie. Mit der sogenannten Cross-Linking-Massenspektrometrie ist es möglich, die Interaktionsstellen der Proteine zu bestimmen. Dabei werden diese mit einer Substanz vermischt, die Proteine in räumlicher Nähe miteinander verknüpft. Je nachdem, wie die Proteine miteinander wechselwirken, reagiert diese Substanz an unterschiedlichen Stellen. Das Massenspektrometer analysiert die Bindungsmuster, über die sich Rückschlüsse auf die Anordnungen der Proteine ziehen lassen. So konnten die Forschenden verschiedene Stadien der Vesikel untersuchen und auch nachweisen, welche Protein-Netzwerke ausgebildet wurden.

Die Studie aus Halle hilft dabei, den Ablauf der Signalweiterleitung in Nervenzellen im Detail besser zu verstehen. Dieses Wissen über die normalen Prozesse ist die Grundlage, um Fehlfunktionen zu erkennen und zu verstehen, die Krankheiten wie Alzheimer auslösen könnten.

Originalpublikation:
Wittig S et al. Cross-linking mass spectrometry uncovers protein interactions and functional assemblies in synaptic vesicle membranes. Nat Commun 2021;12:858.