Wenn Nervenzellen miteinander kommunizieren und Signale weiterleiten, geschieht dies über kleinste Schaltstellen, die so genannten Synapsen. Dabei werden durch die Signale in der einen Zelle Botenstoffe freigesetzt, die in der nachgeschalteten Zelle erneut ein Signal auslösen können. Diese Neurotransmitter „lagern“ in kleinen Vorratsbehältern in der Zelle, die sich bei Bedarf mit der Zellwand verbinden und nach außen hin öffnen und entleeren. Doch wie sehen diese Vesikel aus? Das war bisher nicht im Detail bekannt. Jetzt haben Forscher einen Einblick in den Aufbau dieser kleinen, aber sehr wichtigen Bauteile von biologischen Zellen gewonnen. Herausgekommen ist dabei das erste atomare Modell einer zellulären Struktur überhaupt.
Über die Ergebnisse ihrer quantitativen Analysen unter anderem der Proteindichte von synaptischen Vesikeln berichten die Wissenschaftler um Reinhard Jahn vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie jetzt in der Fachzeitschrift "Cell".
Obwohl das Prinzip der synaptischen Signalübertragung seit Jahrzehnten bekannt ist, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt. Die Neurotransmitter sind in kleinen Vorratsbehältern in der Zelle gespeichert. Zahl und Verfügbarkeit der Vesikel sind für die Schaltprozesse von entscheidender Bedeutung, genauso wie die Schnelligkeit, mit der die Vesikel ihren Inhalt freigeben.
"SNARE"-Proteine mit entscheidender Rolle
Wie das im Einzelnen geschieht, ist nicht bekannt, aber man hat in den letzten Jahren entscheidende molekulare Schritte in diesem Ablaufs identifiziert. Eine besondere Rolle spielen dabei so genannten "SNARE"-Proteine, die dafür sorgen, dass sich die Vesikel an die Zellwand anlagern, dass sich Vesikelhülle und Zellhülle verbinden und sich schließlich auch nach außen hin öffnen.
Durch die Aufschaltung verschiedener Signale und die Kombination von erregenden oder hemmenden Neurotransmittern werden die Signale an jeder Schaltstelle verstärkt oder abgeschwächt, und diese "Verarbeitung" in vielen Schritten bildet die Grundlage für die enormen komplexen Leistungen unseres Gehirns.
Alle diese Vorgänge an der Synapse sind nicht direkt sichtbar; die beteiligten Strukturen sind zu klein, als dass man sie mit herkömmlichen Lichtmikroskopen betrachten könnte. Um trotzdem Licht in das Dunkel zu bringen, hat Jahn seit vielen Jahren die quantitative Analyse der molekularen Bestandteile von Vesikeln vorangetrieben, um daraus Rückschlüsse auf deren Aufbau ziehen zu können. Das ist jetzt gelungen: Aus vielen verschiedenen Untersuchungen mit über 20 beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit ergibt sich ein Bild, wie Vesikel aufgebaut sind, welche Proteine in welcher Menge auf ihrer Oberfläche gelagert sind und wie sich die SNARE-Proteine dazwischen verteilen.
Erstes atomares Modell einer Zellstruktur
Das Ergebnis ist faszinierend. Dies sei das erste atomare Modell einer zellulären Struktur (Organelle) überhaupt, betont Professor Thomas C. Südhof von der University of Texas. Überraschend war vor allem die unerwartet hohe Dichte von Proteinen auf der Vesikel-Oberfläche. "Bisher hat man sich Membranen als glatte Lipid-Doppelschichten vorgestellt, in denen Proteine umherschwimmen wie Eisberge im Meer", kommentierte Jahn seine Befunde.
"Tatsächlich ist aber ein Viertel der Membran von Bereichen mit Vesikelproteinen ausgefüllt, die durch die Membran hindurchreichen. Und die Oberfläche ist nahezu vollständig mit Proteinen bedeckt." Das sind nicht nur SNARE-Proteine, die in großer Zahl vorkommen, sondern auch viele Varianten mit ganz anderen Funktionen und möglichen Aufgaben.
Die Experimente haben neue Fragen aufgeworfen, die Jahn in einem nächsten Schritt angehen will. Eine davon ist: Wie unterscheiden sich Vesikel mit verschiedenen, erregenden oder hemmenden Neurotransmittern? Der Erfolg der bisherigen Messungen lässt hoffen, dass auch diese Fragen irgendwann einmal beantwortet werden können – wenn auch vielleicht erst in weiteren 15 Jahren.
(idw – Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, 23.11.2006 – DLO)
