02.12.2022 - University of Copenhagen

Unglaubliche Entdeckung über Säugetiergehirne überrascht Forscher

Ein lebenswichtiges Enzym schaltet sich nach dem Zufallsprinzip ein und aus und macht sogar stundenlange Pausen

In einem neuen Durchbruch zum besseren Verständnis des Säugetiergehirns haben Forscher der Universität Kopenhagen eine unglaubliche Entdeckung gemacht. Ein lebenswichtiges Enzym, das Gehirnsignale ermöglicht, schaltet sich willkürlich ein und aus und macht sogar stundenlange "Arbeitspausen". Diese Entdeckung könnte einen großen Einfluss auf unser Verständnis des Gehirns und die Entwicklung von Arzneimitteln haben.

Millionen von Neuronen kommunizieren ständig miteinander, um Gedanken und Erinnerungen zu formen und unseren Körper nach Belieben bewegen zu können. Wenn sich zwei Neuronen treffen, um eine Nachricht auszutauschen, werden die Neurotransmitter mit Hilfe eines einzigartigen Enzyms von einem Neuron zum anderen transportiert.

Dieser Prozess ist entscheidend für die neuronale Kommunikation und das Überleben aller komplexen Organismen. Bisher gingen Forscher weltweit davon aus, dass diese Enzyme jederzeit aktiv sind, um lebenswichtige Signale kontinuierlich zu übermitteln. Doch das ist bei weitem nicht der Fall.

Mit einer bahnbrechenden Methode haben Forscher des Fachbereichs Chemie der Universität Kopenhagen das Enzym genau untersucht und entdeckt, dass seine Aktivität in zufälligen Abständen ein- und ausgeschaltet wird, was unserem bisherigen Verständnis widerspricht.

"Dies ist das erste Mal, dass jemand diese Enzyme des Säugetiergehirns Molekül für Molekül untersucht hat, und wir sind von dem Ergebnis beeindruckt. Entgegen der landläufigen Meinung und im Gegensatz zu vielen anderen Proteinen können diese Enzyme ihre Arbeit für Minuten bis Stunden einstellen. Dennoch funktionieren die Gehirne von Menschen und anderen Säugetieren auf wundersame Weise", sagt Professor Dimitrios Stamou, der die Studie am Zentrum für geometrisch konstruierte zelluläre Systeme der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen leitete.

Bislang wurden solche Studien mit sehr stabilen Enzymen aus Bakterien durchgeführt. Mit der neuen Methode untersuchten die Forscher erstmals Säugetierenzyme, die aus Rattengehirnen isoliert wurden. Heute wird die Studie veröffentlicht und auf der Titelseite der Fachzeitschrift Nature abgedruckt.

Die Enzymumschaltung könnte weitreichende Auswirkungen auf die neuronale Kommunikation haben

Neuronen kommunizieren mit Hilfe von Neurotransmittern. Um Nachrichten zwischen zwei Neuronen zu übertragen, werden die Neurotransmitter zunächst in kleine Membranblasen (so genannte synaptische Vesikel) gepumpt. Die Bläschen fungieren als Behälter, die die Neurotransmitter speichern und sie nur dann zwischen den beiden Neuronen freisetzen, wenn es an der Zeit ist, eine Nachricht zu übermitteln.

Das zentrale Enzym dieser Studie, die so genannte V-ATPase, ist für die Energieversorgung der Neurotransmitterpumpen in diesen Behältern verantwortlich. Ohne dieses Enzym würden keine Neurotransmitter in die Container gepumpt, und die Container wären nicht in der Lage, Nachrichten zwischen Neuronen zu übermitteln.

Die Studie zeigt jedoch, dass es in jedem Container nur ein einziges Enzym gibt; wenn dieses Enzym ausgeschaltet wird, steht keine Energie mehr zur Verfügung, um das Laden von Neurotransmittern in die Container anzutreiben. Dies ist eine völlig neue und unerwartete Entdeckung.

"Es ist nahezu unverständlich, dass der äußerst kritische Prozess des Ladens von Neurotransmittern in die Container an nur ein Molekül pro Container delegiert wird. Vor allem, wenn wir feststellen, dass diese Moleküle zu 40 % der Zeit ausgeschaltet sind", sagt Professor Dimitrios Stamou.

Diese Ergebnisse werfen viele interessante Fragen auf:

"Bedeutet das Abschalten der Energiequelle der Container, dass viele von ihnen tatsächlich leer sind, was die Neurotransmitter angeht? Würde ein großer Anteil an leeren Behältern die Kommunikation zwischen den Neuronen erheblich beeinträchtigen? Wenn ja, wäre das ein "Problem", das die Neuronen im Laufe der Evolution umgangen haben, oder könnte es eine völlig neue Möglichkeit sein, wichtige Informationen im Gehirn zu kodieren? Das wird nur die Zeit zeigen", sagt er.

Eine revolutionäre Methode zum Screening von Medikamenten für die V-ATPase

Das Enzym V-ATPase ist ein wichtiger Angriffspunkt für Arzneimittel, da es eine entscheidende Rolle bei Krebs, Krebsmetastasen und verschiedenen anderen lebensbedrohlichen Krankheiten spielt. Daher ist die V-ATPase ein lukratives Ziel für die Entwicklung von Krebsmedikamenten.

Bestehende Assays zum Screening von Arzneimitteln für die V-ATPase basieren auf der gleichzeitigen Mittelung der Signale von Milliarden von Enzymen. Die Kenntnis der durchschnittlichen Wirkung eines Medikaments ist ausreichend, wenn ein Enzym ständig im Takt arbeitet oder wenn Enzyme in großer Zahl zusammenarbeiten.

"Wir wissen jetzt aber, dass beides nicht unbedingt auf die V-ATPase zutrifft. Daher ist es plötzlich wichtig geworden, über Methoden zu verfügen, die das Verhalten einzelner V-ATPasen messen, um die gewünschte Wirkung eines Medikaments zu verstehen und zu optimieren", sagt der Erstautor des Artikels, Dr. Elefterios Kosmidis von der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen, der die Experimente im Labor leitete.

Die hier entwickelte Methode ist die erste überhaupt, die die Auswirkungen von Medikamenten auf das Protonenpumpen einzelner V-ATPase-Moleküle messen kann. Sie kann Ströme nachweisen, die mehr als eine Million Mal kleiner sind als bei der als Goldstandard geltenden Patch-Clamp-Methode.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über University of Copenhagen