Ludwig-Maximilians-Universität München
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Neurobiologie

Der Lieferservice des Lernens

München, 04.08.2017

Lernen erfordert einen stetigen Umbau von Nervenzellen. Damit das Material dafür gezielt dorthin gelangt, hat das Gehirn eine ganze Reihe von Steuerungsmechanismen. So beeinflusst die Aktivität der Synapse selbst deren Umbau.

Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung von Nervenzellen des Gehirns zur Visualisierung von Intronen mit mRNA (weiß). Dendritische Zellfortsätze sind grün dargestellt, die Zellkerne blau. Bild: T. Sharangdhar, M. Kiebler, LMU

Damit wir lernen und Informationen langfristig speichern können, ist unser Gehirn in ständigem Umbau: Mithilfe chemischer Moleküle werden die Verbindungen zwischen Nervenzellen – die Synapsen – gezielt modifiziert. Die Baupläne für diese Moleküle werden von sogenannten Boten-RNAs zu den Synapsen transportiert. Ein internationales Team um den LMU-Biochemiker Professor Michael Kiebler hat nun die überraschende Entdeckung gemacht, dass ein Schlüsselfaktor für diesen Transport spezifisch an einen nicht-codierenden Bereich der Boten-RNA bindet und dass der Transport in Abhängigkeit von der Aktivität der Synapse erfolgt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin EMBO Reports.

Die in der DNA gespeicherten Baupläne für Proteine werden im Zellkern zunächst in Boten-RNA (mRNA) übersetzt und dann an die Ribosomen – die Proteinfabriken der Zelle – übermittelt. In Nervenzellen befinden sich die Ribosomen nicht nur wie in allen anderen Zellen im Zellkörper, sondern an den Synapsen. So können lokal Proteine produziert und die betroffenen Synapsen umgebaut werden, ohne dass benachbarte Synapsen beeinflusst werden. Wie Kiebler in früheren Studien zeigen konnte, spielt das hirnspezifische Bindeprotein Staufen2 beim mRNA-Transport eine wichtige Rolle. „Bisher war allerdings nicht bekannt, wie Staufen die zu transportierenden Botenmoleküle erkennt und wie diese tatsächlich lernabhängig in Proteine umgesetzt werden“, sagt Kiebler.

In ihrer aktuellen Arbeit haben die Wissenschaftler nun entdeckt, dass Staufen spezifisch an bestimmte Sequenzen, sogenannte Introne, bindet, die in einem Bereich der Boten-RNA liegen, der keine Baupläne für Proteine enthält, sondern vor allem regulatorische Funktionen erfüllt. „Bisher wurden Introne fast immer in Protein-codierenden Bereichen gefunden. Sie sorgen dort dafür, dass nach einer Boten-RNA-Vorlage verschiedene Proteine hergestellt werden. Deshalb ist unsere Entdeckung sehr überraschend“, sagt Tejaswini Sharangdhar, die Erstautorin der Studie. Diese Introne im regulatorischen Bereich werden nicht wie beim Kopiergang üblich herausgeschnitten, sondern bleiben erhalten und gelangen mit der Boten-RNA ins Zytoplasma der Nervenzelle. An die gleiche Boten-RNA ohne Intron bindet Staufen nicht, und transportiert sie dementsprechend auch nicht weiter. Das Intron stellt damit ein zusätzliches Markiersignal dar, das an der Regulation der an die Synapse geschickten Informationen beteiligt ist.

„Unsere zweite überraschende Entdeckung ist, dass dieser Transport in Abhängigkeit von der Aktivität der Synapse gesteuert wird“, sagt Kiebler: Die Boten-RNA wird unablässig von Synapse zu Synapse transportiert – gestoppt und in Proteine umgesetzt wird sie nur dort, wo eine Synapse aktiv ist und lernt. Synaptische Aktivität stimuliert also das Andocken der Boten-RNA an eine Synapse. Auch dabei spielt Staufen eine Rolle, denn die Anlieferung funktioniert nicht mehr, wenn das Protein ausgeschaltet ist.
EMBO Reports 2017