Einem Forscherteam ist es gelungen, alle wichtigen Bausteine einer Synapse in korrekter Anzahl und Position zu bestimmen. Die Forscher erstellten somit das erste wissenschaftlich fundierte 3D-Modell einer Synapse.
„Mit dem 3D-Modell einer Synapse eröffnet sich den Neurowissenschaften der Blick in eine neue und bisher unbekannte Welt“, sagt Prof. Dr. Rizzoli, Seniorautor der Publikation. Ungeklärt war bisher vor allem die Anzahl und Verteilung der Proteine. Das von Prof. Rizzoli und seinem Team präsentierte Modell einer Synapse beschreibt gleich mehrere hunderttausend einzelne Proteine in korrekter Anzahl und an ihrer genauen Position in einer Nervenzelle. „Anhand des 3D-Modells der Synapse können wir nun erstmals zeigen, dass Proteine in ganz unterschiedlicher Anzahl für die verschiedenen Vorgänge innerhalb der Synapse benötigt werden“, sagt Dr. Benjamin G. Wilhelm, Erstautor der Publikation. Die Forscher fanden heraus: Proteine, die an der Ausschüttung von Botenstoffen (Neurotransmitter) aus den sogenannten synaptischen Vesikeln beteiligt sind, liegen mit bis zu 26.000 Kopien in jeder Synapse vor. Dagegen sind Proteine, die für den gegenläufigen Vorgang, das Recycling von synaptischen Vesikeln, zuständig sind, lediglich mit 1.000 bis 4.000 Kopien pro Synapse vertreten. Mit diesen Details liefert das Synapsen-Modell auch weiteren Aufschluss zu einer in der Neurowissenschaft lange diskutierten Kontroverse: Wie viele synaptische Vesikel können in einer Synapse gleichzeitig verwendet werden? Die Göttinger Forschungsergebnisse zeigen: Es sind mehr als genug Proteine für die Vesikel-Freisetzung vorhanden. Doch die für das Recycling vorhandenen Proteine reichen nur für sieben bis elf Prozent aller Vesikel in der Synapse aus. Das bedeutet, dass der Großteil der Vesikel einer Synapse nicht gleichzeitig genutzt werden kann. Weltweit erstes 3D-Modell einer Synapse. Die Rekonstruktion einer Synapse im Querschnitt zeigt 60 verschiedene Proteine, die zusammen über 300.000 einzelne Proteinkopien in der Synapse ergeben. © Burkhard Rammner
Die wichtigste Erkenntnis, die das neue Modell liefert: In Abläufen, an denen viele verschiedene Proteine beteiligt sind, ist die Anzahl dieser Proteine erstaunlich genau aufeinander abgestimmt. Die Bausteine der Zellmaschinerie greifen hier wie in einer hocheffizienten Maschine ineinander, ohne Überproduktion oder Verschwendung. Die verschiedenen Proteine unterliegen völlig unterschiedlichen Transportmechanismen und besitzen zudem eine stark voneinander abweichende Lebensdauer. Wie die Zelle also diese erstaunliche Feinabstimmung so erfolgreich bewerkstelligt, bleibt unklar. Das neue Modell kann in Zukunft als Referenzquelle für Neurowissenschaftler aller Sparten dienen. Es kann dabei helfen, Forschung zielgerichteter durchzuführen, da die Anzahl an Kopien eines Proteins Rückschlüsse auf seine Relevanz zulässt. Das Forscherteam will hier allerdings nicht Halt machen. Prof. Rizzoli: „Unser Ziel ist es, letztendlich eine komplette Nervenzelle zu rekonstruieren“. Kombiniert mit funktionellen Studien zur Wechselwirkung einzelner Proteine wäre es damit in Zukunft möglich, zelluläre Funktionen zu simulieren und letztendlich eine „virtuelle Zelle“ zu erschaffen. Originalpublikation: Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins Benjamin G. Wilhelm et al.; SCIENCE, doi: 10.1126/science.1252884; 2014
