Die Ausbildung neuronaler Verzweigungen ist entscheidend für die Funktion und Komplexität unseres Gehirns. Jetzt haben Neurobiologen ein Molekül entdeckt, das diesen lebenswichtigen Prozess steuert. Zugleich gelang es ihnen damit, die von diesem Molekül ausgelöste Signalkaskade aufzuklären. Sie berichten darüber in der Early Edition der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).
Das menschliche Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen, die untereinander etwa 100 Billionen Verbindungen knüpfen. Eine einzelne Nervenzelle kann durch die Verästelung ihres faserartigen Fortsatzes Ausläufer in mehrere Zielgebiete entsenden und dadurch Informationen zu mehreren Schaltstellen gleichzeitig übertragen.
Gabelung als erster Schritt
Prinzipiell unterscheiden Neurobiologen zwei Arten axonaler Verzweigungen: einerseits Verzweigungen des Wachstumskegels an der Spitze eines Axons und andererseits das Aussprossen von Seitenästen aus dem Axonschaft. Beide Formen axonaler Verzweigung lassen sich in sensorischen Neuronen beobachten, die unter anderem Tast-, Schmerz-, und Temperaturempfindungen vermitteln. Wenn die Axone dieser Neurone das Rückenmark erreichen, gabelt sich zunächst ihr Wachstumskegel und sie verzweigen sich in zwei, in entgegengesetzte Richtungen weiterwachsende Äste. Später sprossen aus dem Schaft dieser Tochteraxone neue Äste, die in die graue Substanz des Rückenmarks ziehen.
Ohne Protein CNP keine Gabelung
Hannes Schmidt und seinen Kollegen vom Max- Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) in Berlin-Buch gelang es durch Untersuchungen an sensorischen Neuronen ein Eiweißmolekül zu identifizieren, das die Gabelung der Wachstumskegel sensorischer Axone steuert, das Peptidmolekül CNP (die Abkürzung steht für C-type natriuretic peptide). In transgenen Mäusen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass CNP genau dann im Rückenmark gebildet wird, wenn sensorische Neurone einwachsen. Fehlt CNP, so findet auch keine Bifurkation mehr statt. Wie elektrophysiologische Messungen ergaben, führt das zu einer verminderten Reizübertragung im Rückenmark.
Molekül setzt Signalkaskade in Gang
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse ergänzen frühere Entdeckungen der Forschungsgruppe von Professor Rathjen: Verantwortlich für die Bifurkation sensorischer Axone ist demzufolge eine Signalkaskade. Sie wird dadurch in Gang gesetzt, dass CNP an seinen Rezeptor Npr2 (Natriuretic peptide receptor 2) auf der Oberfläche der Axone bindet, was wiederum die Bildung des sekundären Botenstoffes cGMP auslöst. Dieser Botenstoff aktiviert anschliessend die Proteinkinase cGKI (cGMP-dependent protein kinase I), die eine ganze Reihe von Zielproteinen an- und abschalten kann. Das Zytoskelett der Nervenzellen wird dadurch so verändert, dass sich ihr Wachstumskegel in zwei Tochteraxone aufspaltet.
Als nächstes wollen die Wissenschaftler jetzt versuchen, die Identität dieser Zielproteine zu entschlüsseln. Weiterführende Analysen sollen klären, ob die cGMP-Signalkaskade gleichfalls die Verzweigung anderer Axonsysteme steuert und ob dadurch die Schmerzempfindung beeinflusst wird.
(Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC), 23.09.2009 – NPO)
