Gehirnzellen, die in der Lage sind, zu Beginn der Karriere zu wechseln

Gehirnzellen, die in der Lage sind, zu Beginn der Karriere zu wechseln

Salk-Wissenschaftler finden ein einzelnes Molekül, das das Schicksal reifer sensorischer Neuronen steuert

LA JOLLA – Wissenschaftler am Salk Institute haben herausgefunden, dass die Rolle von Neuronen – die für bestimmte Aufgaben im Gehirn verantwortlich sind – viel flexibler ist als bisher angenommen.

Durch die Untersuchung sensorischer Neuronen in Mäusen stellte das Salk-Team fest, dass eine Fehlfunktion eines einzelnen Moleküls das Neuron zu einem „frühen Karrierewechsel“ veranlassen kann, bei dem ein Neuron, das ursprünglich beispielsweise für die Verarbeitung von Geräuschen oder Berührungen bestimmt war, stattdessen auf die Verarbeitung umgestellt wird Seh-.

Der Befund wurde am 11. Mai 2015 in veröffentlicht PNASwird Neurowissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie die Gehirnarchitektur molekular kodiert ist und wie sie fehlverdrahtet werden kann. Es könnte auch Wege zur Vorbeugung oder Behandlung menschlicher Störungen (wie Autismus) aufzeigen, die erhebliche Anomalien in der Gehirnstruktur aufweisen.

„Wir haben einen unerwarteten Mechanismus gefunden, der bei reifenden sensorischen Neuronen für eine überraschende Plastizität des Gehirns sorgt“, sagt der Erstautor der Studie, Andreas Zembrzycki, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Salk Institute.

Der Mechanismus, ein Transkriptionsfaktor namens Lhx2, der in Neuronen inaktiviert wurde, kann genutzt werden, um Gene ein- oder auszuschalten und so die Funktion eines sensorischen Neurons bei Mäusen zu verändern. Es ist bekannt, dass Lhx2 in vielen Zelltypen außer im Gehirn vorhanden ist und von einem sich entwickelnden Fötus zum Aufbau von Körperteilen benötigt wird. Ohne Lhx2 sterben Tiere typischerweise im Mutterleib. Es war jedoch nicht bekannt, dass Lhx2 auch Zellen nach der Geburt beeinflusst.

„Dieser Prozess findet statt, während das Neuron reift und sich nicht mehr teilt. Wir haben vor dieser Studie nicht verstanden, dass relativ reife Neuronen auf diese Weise umprogrammiert werden können“, sagt der leitende Autor Dennis O'Leary, Salk-Professor und Inhaber des Vincent J. Coates-Lehrstuhls für Molekulare Neurobiologie. „Dieser Befund eröffnet ein neues Verständnis darüber, wie die Gehirnarchitektur aufgebaut wird, und einen möglichen therapeutischen Ansatz zur Änderung dieses Bauplans.“

Wissenschaftler hatten geglaubt, dass die Programmierung von Neuronen ein einstufiger Prozess sei. Sie gingen davon aus, dass die Stammzellen, die die Neuronen erzeugen, nach ihrer Reifung auch deren Funktionen programmierten. Obwohl dies zutrifft, stellte das Salk-Team fest, dass ein weiterer Schritt erforderlich ist: Der Lhx2-Transkriptionsfaktor in reifen Neuronen kontrolliert dann letztendlich das Schicksal des Neurons.

In der Mausstudie manipulierten die Wissenschaftler Lhx2, um kurz nach der Geburt (wenn die Mausneuronen vollständig ausgebildet sind und als reif gelten) den Wechsel im neuronalen Schicksal herbeizuführen. Das Team beobachtete, dass sie durch die Steuerung von Lhx2 Neuronen in einem Sinnesbereich anweisen konnten, einen anderen Sinn zu verarbeiten, wodurch eine Region auf Kosten der anderen vergrößert wurde. Die Wissenschaftler wissen noch nicht, ob die gezielte Behandlung von Lhx2 es Neuronen ermöglichen würde, ihre Funktion im Laufe des Lebens eines Organismus zu ändern.

„Diese Studie liefert den Beweis, dass das Gehirn sehr plastisch ist und noch lange nach der Geburt sowohl auf genetische als auch epigenetische Einflüsse reagiert“, sagt O'Leary. „Klinische Anwendungen für Hirnerkrankungen sind noch in weiter Ferne, aber wir haben jetzt eine neue Art, darüber nachzudenken.“

„Da diese Studie an Mäusen durchgeführt wurde, wissen wir nicht, in welchem ​​Zeitrahmen Lhx2 beim Menschen wirken würde, aber wir wissen, dass sich die Neuronen im Gehirn eines Babys nach der Geburt noch nicht in ihrer endgültigen Position eingependelt haben – das ist der Fall wird noch verkabelt. Das könnte Jahre dauern“, sagt Zembrzycki.

Die Ergebnisse könnten jedoch ein Faktor sein, der zum Erfolg einer frühen Intervention bei einigen sehr kleinen Kindern mit der Diagnose Autismus beiträgt, fügt Zembrzycki hinzu. „Die Verkabelung des Gehirns wird sowohl genetisch bestimmt als auch epigenetisch durch Umwelteinflüsse beeinflusst, und eine frühzeitige Intervention zur Verhinderung von Fehlverkabelungen im Gehirn könnte ein Beispiel für die Konvergenz genetischer und epigenetischer Mechanismen sein, die von Lhx2 gesteuert werden.“

Autoren der Arbeit sind Andreas Zembrzycki, Carlos G. Perez-Garcia und Dennis DM O'Leary, alle vom Salk Institute for Biological Studies; und Chia-Fang Wang und Shen-Ju Chou von der Institut für Zell- und Organismische Biologie, Academia Sinicain Taiwan.

Die Arbeit wurde gefördert durch die National Institutes of Health und ein Stipendium des National Science Council, Taiwan.

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 Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.