Wie die schnelle Signalübertragung zwischen Nervenzellen funktioniert

Wie die schnelle Signalübertragung über den synaptischen Spalt zwischen Nervenzellen abläuft, haben Wissenschaftler des Exzellenzclusters NeuroCure an der Charité – Universitätsmedizin Berlin beschrieben. Danach bildet ein spezielles Eiweiß namens Synaptotagmin Brücken zwischen den Zellen und ermöglicht so die hohe Geschwindigkeit bei der Signalübertragung. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience erschienen (2017; doi: 10.1038/s41593-017-0037-5).

Bekanntlich erfolgt die Signalübertragung zwischen Nervenzellen am synaptischen Spalt. Eingehende Signale bewirken, dass Übertragungsstoffe mittels Vesikeln ausgeschüttet werden. Diese verschmelzen mit der angrenzenden Zellmembran, um das Signal weiterzuleiten. Verschmelzen können die Vesikel mit der Zielmembran allerdings nur, wenn sich beide nahe genug kommen.

Mechanismus bisher unklar

„Zusammengefasst ist der Abstand zwischen dem synaptischen Vesikel und der Membran ein großes Hindernis und verhindert eine schnelle Fusion“, erläuterte der verantwortliche Autor Christian Rosenmund vom Institut für Neurophysiologie der Charité und dem Excellenzcluster NeuroCure. Bekannt war laut den Wissenschaftlern, dass das Eiweiß Synaptotagmin eine wichtige Rolle bei der Geschwindigkeit der Signalübertragung spielt – aber wie dieser Mechanismus genau funktioniert, war bislang unklar.

„Wir haben jetzt herausgefunden, dass Synaptotagmin innerhalb von Millisekunden synaptische Vesikel an die Membran ziehen kann, indem es wie ein beidseitiges Klebeband eine Brücke zwischen dem Vesikel und der Membran schlägt“, so Rosenmund. Nur so könne die Fusion schnell ablaufen.

Laut der Arbeitsgruppe sind die neuen Befunde eine Zufallsentdeckung. Shuwen Chang vom Rosenmund-Labor und Erstautorin der Studie sollte eine neuartige elektronen­mikroskopische Methode dazu nutzen, den Prozess der Vesikel-Membranfusion direkt zu beobachten. „Weil dieser Prozess so schnell abläuft, suchten wir nach Methoden, um die Fusion zu verlangsamen“, so Chang. Das Team versuchte dies mit dem Entfernen von Synaptotagmin und konnte überraschend beobachten, dass das Fehlen dieses Eiweißes nicht nur die Fusion verlangsamte, sondern auch Vesikel und Membran auf Distanz brachte.

In weiteren Tests wollen die Wissenschaftler jetzt herausfinden, ob Mutationen der Synaptotagmin codierenden Gene, wie sie von neurologischen Erkrankungen bekannt sind, auch die Geschwindigkeit der Vesikelfusion und somit die Kommunikation der Nervenzellen verändern.