Benachbarte Synapsen teilen sich die Nutzung lokaler Ressourcen zur Proteinproduktion. Das zeigt, wie Neuronen ihren hohen Proteinbedarf decken.
Neuronen verarbeiten ständig Informationen von Tausenden von Synapsen. Diese sitzen zahlreich auf den informationsempfangenden Dendriten, die bis zu Hunderte Mikrometer vom Zellkörper entfernt sein können. Die Verteilung von Proteinen stellt daher für Neuronen eine besondere logistische Herausforderung dar. Der Einsatz von Ribosomen sowie Boten-RNAs (mRNAs) bietet eine effiziente lokale Lösung, um eine direkte Proteinsynthese zu gewährleisten und auch entfernte Populationen von Synapsen versorgen zu können.
Die Häufigkeit und Verteilung von Ribosomen und neu-synthetisierten Proteinen in der Nähe von Synapsen ist bislang jedoch nicht gut erforscht. Prof. Erin Schuman, Direktorin am Max Planck Institut für Hirnforschung, und ihr Team untersuchten daher die Lieferketten und wiesen nun Ribosomen und ihre neu synthetisierten Protein mit einer noch nie dagewesenen Auflösung nach. MIthilfe von DNA-PAINT und metabolischer Markierung in Kombination mit superauflösender Mikroskopie konnten sie diese sichtbar machen.
„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", erklärt Chao Sun, eine der Studienautorinnen.
Um die Dynamik der lokalen Proteinverteilung zwischen benachbarten Synapsen während spontaner neuronaler Aktivität zu untersuchen, stimulierten die Forscher 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."
„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“, fasst Schuman zusammen.
Dieser Text basiert auf einer Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung. Die Originalstudie findet ihr hier und im Artikel verlinkt.
Bildquelle: Photoholgic, unsplash.
