Denkanstoß: Master-Protein verbessert Lernen und Gedächtnis

Denkanstoß: Master-Protein verbessert Lernen und Gedächtnis

Salk-Wissenschaftler entdecken ein einzelnes Protein, das sowohl Muskeln als auch Gehirn mit Energie versorgt

LA JOLLA–So wie manche Menschen für Marathonläufe gebaut zu sein scheinen und es leichter haben, ermüdungsfrei kilometerweit zu laufen, werden andere mit der Gabe geboren, sich Dinge zu merken, vom Stundenplan bis hin zu Wissenswertem. Wie sich herausstellt, sind diese beiden Fähigkeiten – Laufen und Auswendiglernen – gar nicht so unterschiedlich.

Wissenschaftler und Mitarbeiter von Salk haben herausgefunden, dass körperliche und geistige Aktivitäten auf einem einzigen Stoffwechselprotein beruhen, das den Blut- und Nährstofffluss im gesamten Körper steuert, wie in der Zeitschrift berichtet Cell Metabolism. Die neue Studie könnte auf mögliche Behandlungen in der regenerativen und entwicklungsmedizinischen Medizin sowie auf Möglichkeiten zur Behandlung von Lern- und Gedächtnisstörungen hinweisen.

„Hier geht es darum, Energie dorthin zu bringen, wo sie benötigt wird, um die Kraftwerke im Körper zu versorgen“, sagt er Ronald Evans, Direktor von Salk's Genexpressionslabor und leitender Autor des neuen Artikels, veröffentlicht am 7. April 2015. „Herz und Muskeln brauchen einen Energieschub, um Sport zu treiben, und Neuronen brauchen einen Energieschub, um neue Erinnerungen zu bilden.“

Forscher und Mitarbeiter von Salk entdeckten, dass körperliche und geistige Aktivitäten auf einem einzigen Stoffwechselprotein, ERRγ, beruhen, das den Blut- und Nährstofffluss im Körper steuert. In diesem Bild ist ERRγ (rot gefärbt) im Hippocampus zu sehen, dem Bereich des Gehirns, der hauptsächlich für das Gedächtnis verantwortlich ist. Die neue Arbeit könnte einen Weg aufzeigen, das Lernen zu verbessern.

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Die Energie für Muskeln und Gehirn wird, wie die Wissenschaftler herausfanden, von einem einzigen Protein namens Estrogen-Related Receptor Gamma (ERRγ) gesteuert. Die Forschungsgruppe von Evans hat zuvor die Rolle von ERRγ in der Herz- und Skelettmuskulatur untersucht. Im Jahr 2011 entdeckten sie, dass die ERRγ-Aktivität im Muskel sesshafter Mäuse gefördert wird erhöhte Blutversorgung ihrer Muskeln und ihre Laufkapazität verdoppelt. Sie zeigten weiter, dass ERRγ eine ganze Reihe von Muskelgenen aktiviert, die Fett in Energie umwandeln.

So wurde ERRγ als zentraler Stoffwechselschalter bekannt, der die Muskeln mit Energie versorgte, um die Leistung zu steigern. Obwohl Studien auch gezeigt hatten, dass ERRγ im Gehirn aktiv ist, verstanden die Forscher nicht, warum – das Gehirn verbrennt Zucker und ERRγ verbrennt zuvor nur Fett. Deshalb beschloss das Team, genauer zu untersuchen, was das Protein in Gehirnzellen bewirkt.

Liming Pei, Hauptautor und Co-Autor der Studie, untersuchte zunächst isolierte Neuronen und stellte fest, dass ERRγ wie im Muskel Dutzende Stoffwechselgene in Gehirnzellen aktiviert. Unerwarteterweise bezog sich diese Aktivierung auf Zucker statt auf Fett. Neuronen, denen ERRγ fehlte, konnten die Energieproduktion nicht steigern und hatten daher eine beeinträchtigte Leistung.

„Wir gingen davon aus, dass ERRγ im gesamten Körper das Gleiche bewirkt“, sagt Evans. „Aber wir haben gelernt, dass es im Gehirn anders ist.“ Sie kommen nun zu dem Schluss, dass ERRγ die Fettverbrennungswege in den Muskeln und die Zuckerverbrennungswege im Gehirn aktiviert.

Evans und seine Mitarbeiter stellten fest, dass ERRγ bei lebenden Mäusen im Hippocampus am aktivsten ist – einem Bereich des Gehirns, der aktiv neue Gehirnzellen produziert, an Lernen und Gedächtnis beteiligt ist und bekanntermaßen viel Energie benötigt. Sie fragten sich, ob ERRγ eine direkte Rolle beim Lernen und Gedächtnis spielt. Durch die Untersuchung von Mäusen, denen ERRγ im Gehirn fehlt, fanden sie einen Zusammenhang.

Während Mäuse ohne das Protein normales Sehvermögen, Bewegung und Gleichgewicht hatten, lernten sie im Vergleich zu Mäusen mit normalen ERRγ-Werten langsamer, wie man durch ein Wasserlabyrinth schwimmt – und konnten sich bei nachfolgenden Versuchen schlecht an das Labyrinth erinnern.

„Wir haben herausgefunden, dass Mäuse, denen ERRγ fehlt, grundsätzlich sehr langsam lernen“, sagt Pei. Er vermutet, dass unterschiedliche ERRγ-Werte auch die Ursache für Unterschiede in der Art und Weise sein könnten, wie einzelne Menschen lernen. „Jeder kann lernen, aber manche Menschen lernen und merken sich effizienter als andere, und wir glauben jetzt, dass dies mit Veränderungen im Gehirnstoffwechsel zusammenhängen könnte.“

Ein besseres Verständnis des Stoffwechsels von Neuronen könnte den Weg zu verbesserten Behandlungen für Lern- und Aufmerksamkeitsstörungen weisen. Und möglicherweise könnte die Erhöhung des ERRγ-Spiegels sogar das Lernen verbessern, genau wie es die Muskelfunktion verbessert.

„Wir haben gezeigt, dass Erinnerungen tatsächlich auf einem Stoffwechselgerüst aufgebaut sind“, sagt Evans. „Und wir glauben, dass man, wenn man Lernen und Gedächtnis verstehen will, die Schaltkreise verstehen muss, die diesem Prozess zugrunde liegen und ihn antreiben.“

Weitere Forscher an der Studie waren Yangling Mu, Mathias Leblanc, William Alaynick, Matthew Pankratz, Tiffany W. Tseng, Samantha Kaufman, Ruth T. Yu, Michael Downes, Samuel L. Pfaff und Fred H. Gage, alle vom Salk Institute für biologische Studien; Liming Pei von der University of Pennsylvania; Grant D. Barish von Northwestern University; Christopher Liddle von der Universität von Sydney; und Johan Auwerx von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die Howard Hughes Medical Institute, das National Institutes of Health, der Leona M. und Harry B. Helmsley Charitable Trust, der Ellison Medical Foundation und Glenn-Stiftung für medizinische Forschung, der Kinderkrankenhaus von Philadelphia und den
Penn Medicine Neuroscience Center.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit führenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polio-Impfstoffpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.