Nervenzellen kommunizieren über Synapsen miteinander, wobei Membranbläschen, auch Vesikel genannt, eine zentrale Rolle spielen. Diese Vesikel transportieren Neurotransmitter und andere wichtige Moleküle, die für die Signalübertragung unerlässlich sind. Störungen in diesen Transportprozessen können schwerwiegende Folgen für die Funktion des Nervensystems haben und zu neurologischen Erkrankungen führen.
Containertransport in Zellen und die Rolle von Membranbläschen
Wie Thomas Schmitt-John von der Universität Aarhus erklärt, findet im Inneren von Körperzellen ein reger Containertransport statt, wobei die Container mikroskopisch kleine Membranbläschen sind. Diese Vesikel transportieren eine Vielzahl verschiedener Güter zu unterschiedlichen Orten innerhalb der Zelle. Dabei müssen Ladung, Transportrichtung und Zieladresse genau aufeinander abgestimmt sein.
Die Bedeutung von Vps54 für den Vesikeltransport
Das Gen Vps54 spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Vesikeltransports. Ein Defekt in diesem Gen kann dazu führen, dass Vesikel ihr Ziel nicht finden, was einen "Verkehrsstau" innerhalb der Zelle verursacht. Dies kann insbesondere Nervenzellen schädigen, da diese auf eine reibungslose Stoffverteilung angewiesen sind, um Signalstoffe auszutauschen. Die Forschung von Thomas Schmitt-John und Andreas Lengeling deutet darauf hin, dass ein funktionierendes Vps54-Gen Nervenzellen vor Schäden schützen kann.
Neurotransmission und inhibitorische Botenstoffe
Glyzin und GABA sind die beiden wichtigsten hemmenden Botenstoffe im zentralen Nervensystem. Sie werden in Nervenendigungen in synaptischen Vesikeln gespeichert. Bei Erregung der Nervenzelle verschmelzen diese Vesikel mit der Zellmembran und schütten ihren Inhalt auf die Zielneurone aus, was zu einer Hemmung dieser Zellen führt. Störungen in der hemmenden Erregungsübertragung können zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder Hyperekplexie führen.
Collybistin und Glyzintransporter 2 als Krankheitsgene
Die Analyse gentechnisch veränderter Mäuse hat gezeigt, dass die Gene für Collybistin und den Glyzintransporter 2 (GlyT2) eine wichtige Rolle bei der Funktion inhibitorischer Synapsen spielen. Mutationen in diesen Genen können zu Fehlfunktionen der Synapsen und zu neurologischen Erkrankungen führen. So ist Collybistin für die synaptische Lokalisation von Gephyrin und bestimmten inhibitorischen GABAA-Rezeptorsubtypen in Vorderhirnbereichen wichtig, während GlyT2 für die Wiederaufnahme von Glyzin in die Zellen verantwortlich ist.
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Vesikel-Endozytose und synaptische Stabilität
Die Wiederaufnahme der Vesikelmembranen (Vesikel-Endozytose) ist von entscheidender Bedeutung für die längerfristige Stabilität der synaptischen Informationsübertragung. Eine Arbeitsgruppe um Prof. Kurt Gottmann konnte zeigen, dass das Membranprotein N-Cadherin eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Vesikel-Endozytose spielt. Demnach sind Proteine, die die Synapse strukturell „zusammenhalten“, auch wichtig für das „Recycling“ der präsynaptischen Membranbläschen. Störungen in der Vesikel-Endozytose können zu Synaptopathien wie der Alzheimer-Krankheit führen.
Axonaler Transport von Vesikeln und die Rolle von Kinesin
Synapsen entstehen durch die Erregungsübertragung von einer Nervenzelle zur anderen. Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt. Demnach werden synaptische Vesikelproteine, Proteine der aktiven Zone und Adhäsionsproteine alle mit Hilfe einer Maschinerie aus Motorproteinen transportiert, wobei das Kinesin KIF1A der Haupttreiber ist. Mutationen in KIF1A können den axonalen Transport präsynaptischer Proteine behindern und zu neurologischen Symptomen führen. Interessanterweise stammen diese axonalen Transportvesikel nicht aus dem Golgi-Apparat, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System.
Interzelluläre Kommunikation durch Vesikel und die Rolle von hnRNPU
Vesikel spielen eine wichtige Rolle bei der interzellulären Kommunikation, indem sie Proteine, Lipide und Nukleinsäuren (RNAs) zwischen Zellen transportieren. Die Arbeitsgruppe um Dr. Andreas Zietzer konnte einen neuen Mechanismus aufklären, wie das Sortieren von bestimmten RNAs innerhalb der Vesikel funktioniert. Demnach hält ein bestimmtes RNA-bindendes Protein (hnRNPU) die microRNAs in der abgebenden Zelle wie ein Schwamm zurück und sorgt so dafür, dass sie nicht in Vesikel verpackt und zu einer anderen Zelle transportiert werden können. Durch Steigerung oder Reduktion der hnRNPU-Menge lässt sich der Transfer bestimmter microRNAs über die Vesikel steuern, was ein großes therapeutisches Potential birgt.
Dynamin und die Abschnürung von Vesikeln
Für die Aufnahme vieler Vesikel ist das Eiweißmolekül Dynamin unentbehrlich. Wissenschaftler des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) und der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) haben gezeigt, wie sich Dynamin in einem regulierten Prozess zu einer spiralförmigen Struktur verbindet und Membraneinstülpungen der Zellwand abschnürt. Mutationen in Dynamin können die Funktion beeinträchtigen und zu erblichen Muskelkrankheiten wie Morbus Charcot-Marie-Tooth und der Centronuklearen Myopathie führen.
ATP-Produktion und axonaler Transport
Nervenzellen stehen über lang gestreckte Zellfortsätze miteinander in Verbindung. Die Transportbläschen gelangen mit Hilfe von Motorproteinen, die sich an Mikrotubuli entlanghangeln, zu den Synapsen. Die Motorproteine benötigen für den Transport Treibstoff in Form des energiereichen Moleküls ATP. Da nicht überall in der Zelle Mitochondrien vorhanden sind, kann eine Vesikel, wenn sie die weite Reise durch ein längeres Axon antritt, nicht sicher sein, dass sie ihnen unterwegs in ausreichender Häufigkeit begegnen.
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