Loka­le Lie­fer­ket­ten in Neu­ro­nen: Wer kommt an die Ware?

Damit Infor­ma­tio­nen gespei­chert und ver­ar­bei­tet wer­den kön­nen, pro­du­ziert und ver­teilt das Gehirn stän­dig Pro­te­ine, die wesent­li­chen zel­lu­lä­ren Res­sour­cen. An den Syn­ap­sen (spe­zia­li­sier­te Ver­bin­dun­gen zwi­schen Neu­ro­nen), die im Durch­schnitt über 100000 Bil­lio­nen Pro­te­ine pro Tag im Gehirn ver­brau­chen, besteht ein hoher Bedarf an Pro­te­inen. Wis­sen­schaft­ler des Max-Planck-Insti­tuts für Hirn­for­schung, des Max-Planck-Flo­ri­da-Insti­tuts und der Goe­the-Uni­ver­si­tät Frank­furt haben nun eine enge räum­li­che Bezie­hung zwi­schen der Pro­te­in­pro­duk­ti­ons­ma­schi­ne­rie und den Pro­duk­ten in Neu­ro­nen dar­ge­stellt. Ihre Ergeb­nis­se deu­ten auf die gemein­sa­me Nut­zung loka­ler Res­sour­cen hin: eine “Nach­bar­schaft” von Synapsen.
Neu­ro­nen ver­ar­bei­ten stän­dig Infor­ma­tio­nen von Tau­sen­den von Syn­ap­sen. Die­se sit­zen zahl­reich auf Den­dri­ten (den infor­ma­ti­ons­emp­fan­gen­den Fort­sät­zen), die bis zu Hun­der­te Mikro­me­ter vom Zell­kör­per, der auto­no­men Ein­heit der Zel­le, ent­fernt sein kön­nen. Anders als in ande­ren (run­den) Zel­len stellt die Ver­tei­lung von Waren (Pro­te­inen) für Neu­ro­nen also eine beson­de­re “logis­ti­sche Her­aus­for­de­rung” dar.

Loka­le Hot­spots der Proteinsynthese

Anstatt nur eine zen­tra­le Quel­le (den Zell­kör­per) zu nut­zen, was ange­sichts des gro­ßen neu­ro­na­len Volu­mens ziem­lich inef­fi­zi­ent wäre, haben Neu­ro­nen eine loka­le Lösung gefun­den. Sie set­zen Ribo­so­men, die Pro­te­in­syn­the­se­ma­schi­nen, sowie Boten-RNAs (mRNAs), die Vor­la­gen für die Pro­te­in­syn­the­se, an “loka­len Kno­ten­punk­ten” ein. „Die­se kön­nen ent­fern­te Popu­la­tio­nen von Syn­ap­sen ver­sor­gen”, sagt Prof. Erin Schu­man, Direk­to­rin am Max-Planck-Insti­tut für Hirnforschung.
Wäh­rend die loka­le Pro­te­in­syn­the­se für ver­schie­de­ne Mecha­nis­men der syn­ap­ti­schen Plas­ti­zi­tät — eine Vor­aus­set­zung für Ler­nen und Gedächt­nis — erfor­der­lich ist, ist die Häu­fig­keit und Ver­tei­lung von Ribo­so­men und neu-syn­the­ti­sier­ten Pro­te­inen in der Nähe von Syn­ap­sen bis­lang nicht gut erforscht. Schu­man und ihr Team wie­sen nun Ribo­so­men und ihre Pro­duk­te (neu syn­the­ti­sier­te Pro­te­ine) mit einer noch nie dage­we­se­nen Auf­lö­sung nach, indem sie DNA-PAINT und meta­bo­li­sche Mar­kie­rung in Kom­bi­na­ti­on mit super­auf­lö­sen­der Mikro­sko­pie anwendeten.

“Wir ent­deck­ten Ribo­so­men in der Nähe von ~85 % der Syn­ap­sen, mit durch­schnitt­lich zwei Orten der Pro­te­in­pro­duk­ti­on pro Syn­ap­se. Über­ra­schen­der­wei­se war fast die Hälf­te der ent­ste­hen­den Pro­te­in­pro­duk­te in der Nähe von Syn­ap­sen ver­teilt. Das deu­tet dar­auf hin, dass die loka­le Pro­te­in­pro­duk­ti­on in der Nähe von Syn­ap­sen auch unter grund­le­gen­den Bedin­gun­gen weit ver­brei­tet ist.”
—  Chao Sun, Post­doc im Schuman-Labor

Syn­ap­ti­sche Nach­barn tei­len sich loka­le Vorräte

Wie viel Pro­te­in erhält jede Syn­ap­se und tei­len sich syn­ap­ti­sche Clus­ter den Vor­rat? Um die Dyna­mik der loka­len Pro­te­in­ver­tei­lung zwi­schen benach­bar­ten Syn­ap­sen wäh­rend spon­ta­ner neu­ro­na­ler Akti­vi­tät zu unter­su­chen, sti­mu­lier­ten die For­schen­den Neu­ro­nen sowohl glo­bal als auch lokal mit hoher räum­li­cher Prä­zi­si­on. “Es stell­te sich her­aus, dass die syn­ap­ti­sche Akti­vi­tät ein guter Indi­ka­tor für die loka­le Pro­te­in­ver­sor­gung ist”, sagt Sun. “Inter­es­san­ter­wei­se war die glo­ba­le Pro­te­in­ver­tei­lung im Neu­ron zwar homo­gen, aber benach­bar­te Syn­ap­sen wie­sen oft sehr hete­ro­ge­ne Pro­te­in­ver­sor­gungs­ni­veaus auf. Und die­ser loka­le Unter­schied bleibt sowohl wäh­rend der glo­ba­len als auch der loka­len syn­ap­ti­schen Plas­ti­zi­tät bestehen.”
Schu­man: “Die­ses logis­ti­sche Sche­ma könn­te eine gute Lösung sein, um die Homöosta­se der gesam­ten Syn­ap­sen­po­pu­la­ti­on auf­recht­zu­er­hal­ten und gleich­zei­tig loka­le Viel­falt zu ermög­li­chen. Das Ver­ständ­nis der Bezie­hung und der Dyna­mik zwi­schen der Res­sour­ce und dem Pro­te­in­pro­dukt wird es uns ermög­li­chen, die Mecha­nis­men der syn­ap­ti­schen Plas­ti­zi­tät wei­ter zu entschlüsseln.“