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09.02.2010

 

Das menschliche Gehirn besitzt Milliarden von Nervenzellen. Jede einzelne von ihnen kann mit Tausenden ihrer Nachbarn kommunizieren. Der Ort des Geschehens dafür sind die Synapsen, die sich am Ende der langen Zellarme (Axone) befinden. Dabei überträgt eine Nervenzelle das Signal auf die Nachbarzelle, indem sie sogenannte Neurotransmitter über ihre Synapse ausschüttet (Präsynapse). Diese Botenstoffe werden über die Synapse der anderen Zelle wieder aufgenommen (Postsynapse). Das Ergebnis ist ein elektrischer Impuls in der Empfängerzelle und somit die Übertragung von Informationen von einer Zelle auf die andere.

Forschern vom Max-Planck-Institut (MPI) für Biochemie sind jetzt faszinierende Aufnahmen von diesen Zellstrukturen gelungen. Dafür nutzten sie ein spezielles hochauflösendes Bildgebungsverfahren, die sogenannte Kryoelektronentomografie. Damit konnten Rubén Fernández-Busnadiego und seine Kollegen den Aufbau der Präsynapsen erstmals detailliert rekonstruieren - in 3D.

Zu ihrer Überraschung entdeckten die Wissenschaftler dabei Strukturen, die man bisher noch nicht kannte. Innerhalb der Präsynapse schwimmen die Neurotransmitter nicht frei herum. Stattdessen sind sie in Vesikel verpackt, den synaptischen Vesikeln, die sich in der Nähe der Synapsen-Membran anreichern. Dieser Bereich heißt aktive Zone. Wird die Zelle durch einen elektrischen Impuls erregt, strömt Kalzium in das Innere der Synapse. Das wiederum bewirkt, dass die Membranhülle der Vesikel mit der Synapsen-Membran verschmilzt. So können die Botenstoffe aus der Nervenzelle austreten und von der benachbarten Zelle aufgenommen werden.

Winzige Proteinbrücken

Bisher glaubte man, dass ein Geflecht aus Aktin-Proteinen bei der Freisetzung der Neurotransmitter eine Rolle spielt. Doch was die Forscher auf ihren Aufnahmen entdeckten, führte sie zu einem anderen Modell: Fernández-Busnadiego und seine Kollegen konnten zeigen, dass die synaptischen Vesikel selbst durch feinste fadenförmige Strukturen miteinander verknüpft sind. Diese Proteinbrücken verbinden auch die Vesikel mit der aktiven Zone, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin "Journal of Cell Biology".

Die Forscher glauben, dass die Proteinbrücken dazu beitragen, die Freisetzung von Transmittern zu organisieren. Die Verbindungsstücke zwischen den einzelnen Vesikeln nennen die Forscher "Connectors", während sie den Proteinbrücken, die an die Synapsen-Membran andocken, die Bezeichnung "Tethers" gaben ("Leine").

Sobald die Forscher die Nervenzelle mit speziellen Wirkstoffen stimulierten, konnten sie beobachten, wie die Anordnung der synaptischen Vesikel durch die Connectors verändert wurden. "Diese filamentartigen Strukturen sind wie Barrieren, die das freie Bewegen der Vesikel verhindern", erklärt Fernández-Busnadiego. "Sie halten sie an ihrem Platz, bis der auslösende elektrische Impuls ankommt." Dagegen sorgen die Tethers dafür, "dass die Vesikel die Zellhülle erreichen", und so die Freisetzung der Transmitter vonstatten gehen kann.

Woraus die Proteinbrücken bestehen, das wissen die Forscher allerdings noch nicht. Erste Experimente deuten darauf hin, dass sie aus Snare-Proteinen aufgebaut sein könnten. Diese Klasse von Eiweißmolekülen spielen unter anderem eine Rolle beim Transport von Stoffen im Inneren der Zelle und beim Verschmelzen von Membranen.