Entwicklung des Nervensystems: Wie Nervenzellen die Herstellung von Proteinen regulieren

Neues aus der Forschung

Meldung vom 13.09.2018

Werden in einer Zelle Proteine aus genetischer Information hergestellt, sprechen Wissenschaftler von Translation. Forscher des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster zeigen, wie Nervenzellen diesen Prozess während der Entwicklung des Nervensystems regulieren. Die Studie ist in „Cell Reports“ erschienen.


180920-1439_medium.jpg
 
Entwickelt sich das Nervensystem von Fruchtfliegen, ist das Gen Mical wichtig. Links: Hergestellt wird das Gen in Nervenzellen (Stern). Rechts: Ist das Protein eIF3 gehemmt, fehlt Mical (Stern).

Entwicklung des Nervensystems: Wie Nervenzellen die Herstellung von Proteinen regulieren


Sie sind die Arbeiter einer Körperzelle und erfüllen all ihre Aufgaben: Proteine. Proteine werden innerhalb der Zelle aus den dort enthaltenen genetischen Informationen hergestellt – ein Prozess, den Wissenschaftler Translation nennen. Wie genau sehen die Mechanismen aus, die diese Translation während der Entwicklung des Nervensystems regeln?

Das ist eine bisher nur gering beantwortete Frage, für deren Antwort sich Forscherinnen und Forscher am Exzellenzcluster „Cells in Motion“ der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) interessieren. In ihrer Studie fanden sie heraus, dass die Translation stark reguliert wird, wenn sich Nervenzellfortsätze während der Entwicklung wieder abbauen: „Interessanterweise ist ein bestimmtes Molekül in der Zelle, ein sogenannter Translationsinitiationsfaktor, ausgeschaltet, der üblicherweise beim Wachstum eine zentrale Rolle spielt“, sagt Dr. Sebastian Rumpf, Nachwuchsgruppenleiter am Exzellenzcluster und Leiter der Studie.

Ist dieser Initiationsfaktor namens eIF4F inaktiv, geht die Herstellung von Proteinen stark zurück, wodurch sich die Zellfortsätze zurückbilden können. Aber: Gleichzeitig muss die Zelle noch gewährleisten, dass einige bestimmte Gene weiterhin in Proteine übersetzt werden – nämlich solche, die für den Abbau der Zellfortsätze wiederum unerlässlich sind. Die Forscher entdeckten den Mechanismus hinter diesem Phänomen: Die Zelle bringt eine Art „Umgehungs-Signalweg“ in Gang, bei dem anstatt des üblichen Initiationsfaktors eIF4F der Initiationsfaktor eIF3 rekrutiert wird. Dieser kann auch unter widrigen Bedingungen noch die Translation von Proteinen vermitteln, die für den Abbauprozess wichtig sind. „Wenn sich im Laufe der Entwicklung Nervenzellfortsätze abbauen, scheinen somit andere Translationsmechanismen aktiv zu sein als wenn sie wachsen“, sagt Dr. Sandra Rode, Erstautorin der Studie. Das Konzept des „Umgehungs-Signalwegs“ hatten zuvor bereits andere Forschergruppen vorgeschlagen, in dieser Studie konnte es aber erstmals im lebenden Organismus belegt werden. „Der Mechanismus ist sicher weit verbreitet und könnte noch in vielen anderen Zusammenhängen gefunden werden“, sagt Sandra Rode. An der Studie arbeiteten Biologen, Biochemiker und Molekularbiologen eng zusammen. Sie ist in der Fachzeitschrift „Cell Reports“ erschienen.



Die Geschichte im Detail:

Nervenzellen verbinden sich mithilfe ihrer langen Fortsätze, den Axonen und Dendriten. Nervenfortsätze, die sich im Laufe der Entwicklung falsch verbunden oder keine spezifische Funktion ausgebildet haben, bauen sich wieder ab und lösen ihre Verknüpfungen untereinander auf. Die münsterschen Biologen um Dr. Sebastian Rumpf sahen sich spezielle Nervenzellen in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster an, die im Laufe der Entwicklung all ihre Dendriten verlieren. Um zu untersuchen, ob dabei die Translationsregulation eine Rolle spielt, manipulierten die Biologen die Nervenzellen auf genetische Art – eine bei Fruchtfliegen gut etablierte Technik.

Die Forscher nahmen die Funktionen verschiedener Translationsinitiationsfaktoren unter die Lupe. Diese Proteine binden an die Boten-RNA (aus dem Englischen messenger RNA, kurz mRNA) – ein Biomolekül, das die genetische Information aus dem Zellkern zu den Orten in der Zelle transportiert, an denen Proteine hergestellt werden. Translationsinitiationsfaktoren bewirken, dass die Translation beginnt. Zunächst schalteten die Wissenschaftler einen Faktor genetisch aus, der normalerweise für die meisten Translationsprozesse zentral ist, den eIF4F. Mithilfe der Mikroskopie beobachteten sie während der Puppenphase der Fruchtfliegen, dass sich die Nervenzellfortsätze immer noch ganz normal abbauten. Schalteten die Forscher hingegen eIF3 oder eIF4A aus, waren zum selben Entwicklungszeitpunkt immer noch Dendriten vorhanden. „Diese beiden Faktoren scheinen also wichtig für den Abbau der Zellfortsätze zu sein“, sagt Sandra Rode.

Aber welche Mechanismen stecken dahinter? Die Wissenschaftler untersuchten, ob die Signalwege die Aktivität des Gens Mical beeinflussen. Dieses Gen wird für den Rückgang von Nervenzellfortsätzen benötigt. Die Forscher veränderten erneut die Translationsinitiationsfaktoren und untersuchten, in welcher Menge Mical in der Zelle vorkam. Die Ergebnisse bestätigten den Zusammenhang: Wenn eIF4A oder eIF3 inaktiv waren, war auch das Vorkommen von Mical geringer.

„Im nächsten Schritt fragten wir uns, welche örtlichen Faktoren eine Rolle spielen, um den Signalweg in Gang zu bringen“, sagt Sandra Rode. Die Forscher nahmen die Boten-RNA ins Visier, an deren Anfang, der sogenannten Kappe, die Translationsinitiationsfaktoren binden. Bereits in vorherigen Studien hatte sich gezeigt, dass Translationsinitiationsfaktoren häufig mit einer weiteren Region der Boten-RNA interagieren: dem sogenannten untranslatierten Bereich, der sich benachbart zur Kappe befindet. Biochemiker um Prof. Dr. Andrea Rentmeister, Professorin am Exzellenzcluster, halfen, die Rolle dieser Region zu untersuchen. Nach ersten Experimenten im Reagenzglas verfolgten die Forscher im lebenden Organismus die Vorgänge an der Boten-RNA. Dazu knüpften sie ein fluoreszierendes Signal an den untranslatierten Bereich und erzeugten so ein sogenanntes Reportergen, mit dessen Hilfe sie die Aktivität dieses Bereichs messen konnten. Schalteten sie die Faktoren eIF4A und eIF3 in den Neuronen aus, war das fluoreszierende Signal deutlich schwächer. „Also sind die Erkennungssignale für die Initiationsfaktoren tatsächlich in diesem Bereich der Mical-mRNA kodiert“, sagt Sebastian Rumpf.

Ihre Ergebnisse ließen die Forscher zudem vermuten, dass die beiden Initiationsfaktoren eIF3 und eIF4A bei der Translation von Mical eng zusammenspielen. Um die Wechselwirkungen dahinter zu untersuchen, wandten Molekularbiologen um Dr. Sebastian Leidel, ebenfalls Gruppenleiter am Exzellenzcluster, biochemische Methoden an. Sie fanden heraus, dass eIF4A und eIF3 in einem Komplex vorliegen, verbunden durch die Boten-RNA. Hemmten sie eIF4A, hatte das auch einen Effekt auf die Bindung von eIF3 an die Mical-mRNA. „In diesem Zusammenhang sind das ganz neue Interaktionen zwischen den beiden Faktoren, die wir ohne die interdisziplinäre Zusammenarbeit nicht herausgefunden hätten“, sagt Sebastian Rumpf. In weiteren Studien möchten die Forscher die genaue Rolle der Kappe der Boten-RNA untersuchen.




Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 7 Tage

www.biologie-seite.de 16 Meldungen

Meldung vom 21.05.2019

Neue Studie zeigt: Tropische Korallen spiegeln die Ozeanversauerung wider

Das Kalkskelett tropischer Korallen weist bereits Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung auf, die au ...

Meldung vom 21.05.2019

Namenlose Fliegen

Unsere heimischen Fliegen und Mücken zählen mit knapp 10.000 bekannten Arten zu einer der vielfältigsten In ...

Meldung vom 20.05.2019

Bonobo Mütter verhelfen ihren Söhnen zu mehr Nachwuchs

Bei vielen sozialen Tierarten teilen sich Individuen die Aufgaben der Kindererziehung, doch neue Forschungserg ...

Meldung vom 20.05.2019

Auf die Größe kommt es an

Ökologe der Universität Jena und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) ent ...

Meldung vom 20.05.2019

3D-Technologie ermöglicht Blick in die Vergangenheit

Studie identifiziert Fischarten anhand vier Millionen Jahre alter Karpfenzähne ‒ Modell zur Evolution der B ...

Meldung vom 20.05.2019

Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die genetische Vielfalt einer Art

Über das Genom des Alpenmurmeltiers.

Meldung vom 17.05.2019

Ernst Haeckel: Vordenker hochmoderner Disziplinen

Wissenschaftshistoriker der Universität Jena erklären Ernst Haeckels Ökologie-Definition.

Meldung vom 17.05.2019

Echoortung von Fledermäusen - Exzellente Navigation mit wenig Information

LMU-Forscher widerlegen bisherige Annahmen über die Echoortung: Fledermäuse haben deutlich weniger räumlich ...

Meldung vom 17.05.2019

Neues Petersilien-Virus von Braunschweiger Forschern entdeckt space

Neues Petersilien-Virus kommt im Raum Braunschweig und anderen Teilen Deutschlands vor.

Meldung vom 16.05.2019

Bettgenosse gesucht: Wer war der erste Wirt der Bettwanzen

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der kooperativen Leitung des TUD Biologen Prof. Klaus Rein ...

Meldung vom 15.05.2019

Schimpansen graben mit Werkzeugen nach Futter

Forschungsteam filmt im Zoo erstmals, wie die Menschenaffen vorgehen, um an vergrabene Leckereien zu kommen.

Meldung vom 15.05.2019

Übersatte Bakterien machen den Menschen krank

SFB 1182-Forschungsteam schlägt in einer neuen Hypothese vor, dass Entzündungskrankheiten durch ein Nahrungs ...

Meldung vom 15.05.2019

Große Fragen zur Rolle mikroskopischen Lebens für unsere Zukunft

Wie Mikroorganismen die dynamische Entwicklung unserer Erde beeinflussen.

Meldung vom 15.05.2019

Wälder tragen weniger zum Klimaschutz bei als vermutet

Eine Studie mit Beteiligung der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL könnte ein Dämp ...

Meldung vom 15.05.2019

Ausgezirpt - Drastischer Biomasseverlust bei Zikaden in Deutschland

In der April- Ausgabe der vom Bundesamt für Naturschutz herausgegebenen Zeitschrift „Natur und Landschaft ...

Meldung vom 14.05.2019

Relaisstation im Gehirn steuert unsere Bewegungen

Die Relaisstation des Gehirns, die Substantia nigra, beherbergt verschiedene Arten von Nervenzellen und ist f ...


03.05.2019
Eine Frage der Zeit
24.04.2019
Kraftwerk ohne DNA

06.03.2019
Bindung mit Folgen
16.01.2019
Plötzlich gealtert

19.12.2018
Baum der Schrecken
07.11.2018
Plastik im Fisch
28.09.2018
Gestresste Pflanzen

13.08.2018
Wie Vögel lernen

15.06.2018
Primaten in Gefahr
24.05.2018
Störche im Aufwind
20.09.2018
Kenne Deinen Fisch!
20.09.2018
Leben ohne Altern
20.09.2018
Lebensraum Käse
20.09.2018
Domino im Urwald
20.09.2018
Trend-Hobby Imker
20.09.2018
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung