(Universität von Kalifornien, Davis) Die Rolle bestimmter Proteincluster, die auf der Oberfläche von Gehirnzellen gefunden werden Hippocampus – der Teil des Gehirns, der eine Schlüsselrolle beim Lernen und Gedächtnis spielt – gibt Wissenschaftlern seit mehreren Jahrzehnten Rätsel auf. Aber dieses besondere biologische Rätsel könnte endlich gelöst sein.
Es war bereits bekannt dass eine Störung dieser Cluster zu schweren neurologischen Störungen führen könnte, aber es war nicht klar, warum. Eine neue Studie legt nahe, dass es sich bei den Clustern um Kalzium-Signal-Hotspots handelt, die für die Aktivierung der Genexpression von entscheidender Bedeutung sind.
Die Hotspot-Proteine scheinen ungewöhnlich groß zu sein Ionenkanäle , Tore, die geladene Atome in die Zelle lassen. Der Austausch dieser Ionen ist eine der Hauptmethoden, mit denen Zellen wie Neuronen miteinander kommunizieren – indem sie ein Signal wie eine Berührung oder Gedankenmuster von einer Zellgruppe an eine andere weitergeben, damit wir sie bewusst verarbeiten können.
„Die Funktion anderer Arten von Ionenkanalclustern, zum Beispiel an Synapsen, kennen wir schon lange.“ sagt der Physiologe James Trimmer von der University of California, Davis.
„Es war jedoch keine Rolle bekannt, die diese viel größeren Strukturen auf dem Zellkörper für die Physiologie des Neurons spielten.“
Trimmer und seine Kollegen hatten bereits mehrere Kanäle durch diese Proteincluster entdeckt, von denen einige nur Kaliumionen durch die Zellmembran zulassen, während andere nur für Kalziumionen vorgesehen sind.
Durch Experimente an Nagetierneuronen entkoppelte das Team die Kalium- und Kalziumkanäle, die über Proteinbits verfügen, die aneinander binden. Sie überschwemmten die Neuronen mit Täuschungsfragmenten von Kaliumkanälen, an denen sich die Kalziumkanäle festhielten, bevor sie von den Zellmembranclustern abfielen.
Es zeigte sich, dass dadurch die Verbindung zwischen der elektrischen Signalübertragung neuronaler Zellen und der Genexpression unterbrochen wird, einem kritischen Prozess in einem ordnungsgemäß funktionierenden Gehirn, der als Erregungs-Transkriptions-Kopplung bezeichnet wird.
„Es gibt viele verschiedene Kalziumkanäle, aber der spezielle Kalziumkanaltyp, der in diesen Clustern vorkommt, ist notwendig, um Änderungen der elektrischen Aktivität in Änderungen der Genexpression umzuwandeln.“ sagt Trimmer .
„Wir haben herausgefunden, dass, wenn man in die Kalzium-Signalproteine eingreift, die sich in diesen ungewöhnlichen Clustern befinden, man im Grunde die Kopplung von Anregung und Transkription aufhebt, die für Lernen, Gedächtnis und andere Formen der neuronalen Plastizität von entscheidender Bedeutung ist.“
Die Kalziumsignalisierung ist gut untersucht Dendriten , die erweiterten Teile von Neuronen, die Nachrichten zwischen den Zellen verwalten, aber bisher wurde nicht viel darüber geforscht, wie die Kalziumsignalisierung im eigentlichen Neuronenzellkörper funktionieren könnte.
Wie die Forscher erklären, sind diese Neuronencluster „hochkonserviert“, was bedeutet, dass sie durch evolutionäre Prozesse relativ unverändert geblieben sind. Dies weist auf ihre Bedeutung bei Wirbellosen und Wirbeltieren, einschließlich des Menschen, hin. Bis zu 100 Cluster können an eine einzelne Zelle geklemmt werden.
Wissenschaftler sind ständig neue Entdeckungen machen Wir wissen, wie das Gehirn funktioniert, und jeder zusätzliche Einblick in dieses komplexeste und anspruchsvollste aller Organe kann dazu beitragen, Probleme bei seiner Funktionsweise zu beheben – oder sie gar nicht erst entstehen zu lassen.
„Wir stehen erst am Anfang des Verständnisses der Bedeutung dieser Signalübertragung, aber diese neuen Ergebnisse könnten Informationen liefern, die neue Forschungen zu ihrer Rolle bei der Gehirnfunktion und vielleicht schließlich auch die Entwicklung neuer Therapeutikaklassen vorantreiben könnten.“ sagt Trimmer .
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .