Nr. 35/23. Oktober 2007
Verschaltung des Nervensystems
MDC-Forscher auf der Spur eines Schlüsselprozesses
Mikroskopische Aufnahme eines verzweigten Nervenfortsatzes (Axon) einer sensorischen Nervenzelle der Maus (linkes Bild). Mäusen, bei denen ein bestimmter Rezeptor (Guanylatzyklase Npr2) defekt ist, fehlt diese Verzweigung und das Axon wächst nur in eine Richtung (rechtes Bild). Dadurch ist die Reizübertragung stark eingeschränkt. (Photo: Hannes Schmidt/ Copyright: MDC)
Schematische Darstellung des Projektionsmusters einer sensorischen Nervenzelle (Neuron) in das Rückenmark. Ein Fortsatz des Neurons (Axon) wandert während der Embryonalentwicklung in die graue Substanz des Rückenmarks, die besonders dicht mit Neuronen gepackt ist. An der Eingangszone der Dorsalwurzel teilt sich der Axonschaft in zwei Äste (1), die auf der Oberfläche des Rückenmarks in entgegengesetzter Richtung weiterwachsen. Aus diesen Ästen sprossen danach an mehreren Stellen Seitenzweige (2) und ermöglichen so die Übertragung eines Reizes auf mehrere Zielzellen. (Graphik: Hannes Schmidt/ Copyright: MDC)
Nervenzellen müssen sich verschalten, damit ein
funktionstüchtiges Nervensystem entstehen kann. Sie bilden dazu Zellfortsätze
(Axone) aus, die von einem Wachstumskegel an ihrer Spitze geleitet, sich ihren
Weg zu anderen Nervenzellen bahnen. Um möglichst viele Zielzellen zu erreichen,
verzweigen sich die Axone. Wie sie das tun, war bisher völlig unklar.
Neurobiologen des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC)
Berlin-Buch, die sich mit der embryonalen Entwicklung des Nervensystems
befassen, haben erstmals Licht in diesen Schlüsselprozess gebracht. Sie
identifizierten zwei Signalmoleküle, die eine entscheidende Rolle bei der
Axonverästelung spielen. Ihre Arbeit erschien jetzt im Journal of Cell Biology
(DOI: 10.1083/jcb.200707176)*.
„Wie ein Autofahrer auf der Strasse sich nach den Verkehrszeichen richtet, orientieren sich Axone auf ihrem Weg durch das sich entwickelnde Gehirn an molekularen Signalen, um zu ihrem Ziel, sprich anderen Nervenzellen, zu gelangen“, erläutert Dr. Hannes Schmidt, einer der Autoren der Studie vom MDC. Ein einzelnes Axon, und da hört die Analogie zu dem Autofahrer auf, verästelt sich, um mehrere Zielgebiete gleichzeitig mit Nervenbahnen zu versorgen.
Auf der Suche nach Signalen, die eine Verästelung von Axonen bewirken, studierten die Forscher die Entwicklung sensorischer Axone im Rückenmark von Mäuseembryonen. Diese Axone leiten Sinnesreize. „Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich ein Axon verzweigen kann. So kann sich etwa der Wachstumskegel an der Spitze aufzweigen, oder vom Axonschaft sprossen kollaterale, seitliche Zweige aus“, erklärt Dr. Schmidt.
Eine entscheidende Rolle spielen dabei zwei Signalmoleküle: das Rezeptorprotein Npr21 und der molekulare Schalter cGKI2. Ist das erste Signalmolekül defekt oder fehlt das zweite, kann sich der Wachstumskegel an der Spitze des Axons an einer bestimmten Stelle des Rückenmarks nicht mehr in zwei entgegengesetzt wachsende Äste teilen, sondern biegt stattdessen als einzelner Ast in eine Richtung ab.
Die spätere Bildung der Seitenäste ist bemerkenswerterweise vom Ausfall der beiden Signalmoleküle nicht betroffen. Die Forscher vermuten daher, dass für die verschiedenen Formen der axonalen Verzweigung unterschiedliche Signalmoleküle eine Rolle spielen. Elektrophysiologische Tests zeigten aber, dass in der Folge des beobachteten Defekts die Reizübertragung stark eingeschränkt ist.
Jetzt wollen die Wissenschaftler versuchen, die gesamte Signalkette der Moleküle Npr2 und cGKI in sensorischen Neuronen zu entschlüsseln. Außerdem wollen sie prüfen , ob auch die Verzweigung anderer Typen von Nervenzellen durch diese Signalkette gesteuert wird.
1Guanylyl cyclase Npr2
2cGKI – cyclic guanosine monophosphate-dependent protein kinase I
*The
receptor guanylyl cyclase Npr2 is essential for sensory axon bifurcation within
the spinal cord Hannes
Schmidt,1 Agne Stonkute,1 René Jüttner,1
Susanne Schäffer,1 Jens Buttgereit,1 Robert Feil,2 Franz
Hofmann,2 and Fritz G. Rathjen1 1Max Delbrück Centrum für
Molekulare Medizin, Berlin D-13092, Germany 2Institut für Pharmakologie und
Toxikologie, Technische Universität München, München D-80802, Germany Correspondence to F.G. Rathjen: Rathjen@mdc-berlin.de
Barbara Bachtler
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