7. April 2005
La Jolla, Kalifornien – Während der Embryonalentwicklung müssen Tausende von Nerven mit Muskeln als Teil eines Kommunikationsnetzwerks verbunden werden, das es dem Neugeborenen ermöglicht, sich zu bewegen, zu atmen und ein normales Leben zu führen. Die Frage ist, wie wird dieses komplizierte „Telefonsystem“ verkabelt?
In der Cell-Ausgabe vom 8. April berichten Wissenschaftler des Salk Institute for Biological Studies, dass sie am wachsenden Ende der Nervenzelle eine molekulare „Postleitzahl“ identifiziert haben, die sie zur richtigen „Adresse“ in den Muskeln führt. Die Entdeckung trägt zur Entwicklung von Erkenntnissen darüber bei, wie das Nervensystem während der Entwicklung des Fötus aufgebaut wird. Mit diesem Wissen hoffen Forscher, die Tricks der Natur nutzen zu können, um das Nervensystem zu reparieren, das durch Verletzungen oder neurodegenerative Erkrankungen wie die Lou-Gehrig-Krankheit geschädigt wurde.
Der komplizierte Verdrahtungsprozess, der während der Embryonalentwicklung abläuft, wird durch chemische Signalmoleküle gesteuert, die die Nerven dazu bringen, zu ihren Zielen zu wachsen. Die Studie des Salk Institute, an der ein Team talentierter Postdoktoranden unter der Leitung von beteiligt ist Sam Pfaff und Tony Jäger, untersuchte zwei wichtige Signalmoleküle namens Ephrin und Eph.
Frühere Studien hatten gezeigt, dass die Proteine Ephrin und Eph als Tag-Team zusammenarbeiten, um das Wachstum von Neuronen zu steuern. Ein weiterer Salk-Wissenschaftler, Dennis DM O'Leary zuvor wurde bekannt, dass Ephrine Ephs abstoßen, sodass Zellen mit dem Eph-„Rezeptor“ auf ihrer Außenfläche Zellen meiden, die das Ephrin-„Signal“ erzeugen.
Allerdings ist diese scheinbar einfache Geschichte nicht ganz so einfach. Pfaff und andere Neurowissenschaftler sind seit langem verwirrt über die Tatsache, dass einige Neuronen offenbar gleichzeitig Eph und Ephrin produzieren. Eine solche Anordnung ist für Wissenschaftler verwirrend, da sie zu enormer Verwirrung führen könnte, da sich die Zelle theoretisch selbst „melden“ würde – so, als würde man die eigene Telefonnummer anrufen und ein Besetztzeichen erhalten.
Pfaff und Kollegen zeigten, dass sich die beiden Molekültypen, wenn Eph und Ephrin von derselben Zelle produziert werden, an unterschiedlichen Stellen der Zellmembran befinden, sodass sie nie die Möglichkeit haben, sich gegenseitig aufzuheben.
„Die traditionelle Ansicht ist, dass Eph der Rezeptor im Neuron und Ephrin die ‚Botschaft‘ im peripheren Gewebe ist“, sagte der wissenschaftliche Mitarbeiter Till Marquardt, Mitautor der Arbeit. „Wir haben gezeigt, dass dieselbe Zelle nicht nur beide Proteine haben kann, sondern dass sie auch in unterschiedlichen Bereichen vorkommen, sodass sie sich nicht gegenseitig kurzschließen.“
Diese Anordnung – ähnlich wie bei zwei separaten Telefonleitungen, die zu Telefonen in verschiedenen Räumen führen – ermöglicht es der Zelle, zwei klare Signale gleichzeitig zu empfangen. Die relative Stärke der beiden Signale gibt der Zelle detaillierte Informationen über ihre Position. Tatsächlich nutzen Nervenzellen das Mosaik aus Ephrinen und Ephs auf ihren Außenflächen, um einen detaillierten Code zu erstellen.
Diese „Postleitzahl“ ermöglicht es ihnen, ihre Navigation genau auf den Muskel abzustimmen, mit dem die Nerven kommunizieren sollen.
„Vor dieser Studie haben wir viel zu vereinfacht an die Zellmembran des Neurons gedacht“, sagte Pfaff. „Das Nervensystem steht vor der Herausforderung, nur eine bestimmte Anzahl von Komponenten nutzen zu können, und muss daher clevere Wege finden, um mit einer begrenzten Anzahl von Elementen oder Ausgangspunkten mehr Komplexität zu erzeugen. Neuronen können ihre Vielfalt mit nur wenigen Proteinklassen erweitern. Das ist eine sehr zufriedenstellende Lösung.“
Erkenntnisse wie diese darüber, wie Nerven an den richtigen Stellen in den Muskeln wachsen, könnten zu neuen medizinischen Behandlungen für Rückenmarksverletzungen oder neurodegenerative Erkrankungen führen, sagte Pfaff. „Es wirft sicherlich einige interessante Fragen auf, wie man nach einer Rückenmarksverletzung ein funktionelles motorisches Netzwerk neu vernetzen oder bei der Lou-Gehrig-Krankheit erkrankte Neuronen durch gesunde ersetzen könnte“, sagte er. „Darüber hinaus liefern diese Ergebnisse umfassende Erkenntnisse darüber, wie das Gehirn während der fetalen Entwicklung vernetzt ist.“
Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich der Erlangung grundlegender Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung künftiger Generationen von Forschern widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfstoff, der sich 1955 als sicher und wirksam erwiesen hat, fast alle Fälle der lähmenden Krankheit Poliomyelitis ausgerottet hat, gründete das Institut 1960 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung von der March of Dimes. Fünf Jahre später, 1965, wurde der Bau des Instituts abgeschlossen.
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