Molekulares Recycling an der Synapse

Stellen Sie sich vor: Ein heißer Sommertag, Sie bringen durstig die leere Wasserkiste zurück zum Getränkemarkt, doch Sie bekommen erst einmal keine neue. Der Händler sagt Ihnen, Sie müssen so lange warten, bis die Flachen aus Ihrer Kiste gesäubert, frisch befüllt und neu sortiert sind... Doch zum Glück ist das Recyceln der Flaschen in der Regel schon längst geschehen – zumindest derer, die Sie (oder Ihr Nachbar) schon in der vergangenen Woche zurückgebracht haben.

Die Kommunikation zwischen Nervenzellen, die an spezifischen Kontaktstellen, den Synapsen erfolgt, funktioniert ähnlich. Hier werden Signale übertragen, indem die sendende Zelle Botenstoffe in kleinen Membran umhüllten Bläschen ausschleust, die in der Empfänger-Zelle eine elektrische Antwort auslösen. Das Ausschleusen der Botenstoffe erfolgt durch Exozytose. Dabei verschmelzen die Bläschen, Vesikel genannt, mit der Plasmamembran der Zelle und setzen so die Botenstoffmoleküle frei. Auf diese Weise gelangen die in der Vesikelmembran enthaltenen Proteine in die Plasmamembran. Um wieder neue Vesikel bilden zu können, müssen diese Proteine durch einen umgekehrten Vorgang, die Endozytose, wieder zurück gewonnen werden. Dieses Recycling ist in etwa vergleichbar mit dem Bereitstellen gereinigter Flaschen für die neuerliche Befüllung mit Saft oder Wasser.

Aktive Synapsen, sichtbar gemacht mit einer neuen molekularen Sonde. Sind die Synapsen aktiv, leuchten sie auf. Ist ihre Aufgabe erledigt, gehen auch die Lichter aus.

Die Geschwindigkeit des Recycling-Prozesses an der Synapse ist entscheidend dafür, wie schnell und dauerhaft Synapsen zwischen Nervenzellen bei neuronaler Aktivität funktionieren. Max-Planck-Forscher haben deshalb die Dynamik der Vesikelproteine genauer unter die Lupe genommen, indem sie sie mit GFP, einem grün fluoreszierenden Protein (engl. für green fluorescent protein), markiert und sichtbar gemacht haben. Der Blick durch das Fluoreszenzmikroskop offenbarte dann Überraschendes: Schon während der Ruhephase der Synapse befinden sich Vesikelproteine in der Plasmamembran. Unklar war, ob diese "gestrandeten" Proteine am Recycling der Vesikel teilnehmen, und wenn ja, welche Funktion sie dabei ausüben.

Mit einer eigens für diese Untersuchungen gentechnisch hergestellten Sonde gelang es den Forschern, das Schicksal beider Proteinreservoirs – also der in der Plasmamembran gestrandeten Proteine und jener im Vesikel – während der synaptischen Aktivität getrennt voneinander im Mikroskop zu betrachten und in Echtzeit zu verfolgen. Das zur Markierung eingesetzte fluoreszierende Protein leuchtete nur dann, wenn es sich tatsächlich in der Plasmamembran befand – im Vesikel blieb es unsichtbar. Das Ergebnis: Anders, als bisher angenommen, werden die für das Recycling bestimmten Vesikel aus Proteinen früherer Export-Behälter zusammengebaut, die bereits als Pool in der Zellmembran gelagert sind. Und das heißt, dass die Vesikel ihre Identität hinsichtlich der Proteinzusammensetzung im Recycling-Zyklus nicht beibehalten.