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.“