Synaptische Vesikelfusion
Die Synaptische Vesikelfusion bezeichnet die Membranfusion von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran. Sie beschreibt funktionale und strukturelle Veränderungen an synaptischen Verbindungen („synaptische Plastizität“), die als Grundlage für die Lernprozesse des Gedächtnisses angesehen werden. Der molekulare Aufbau, die Struktur und die Abläufe sind für das Verständnis der neuronalen Entwicklung von Synapsen wichtig. Diese werden durch asymmetrische Verbindungen von zwei spezialisierten Membranen gebildet. Es gibt eine präsynaptische, aktive Zone, an der die mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel fusionieren, während von der gegenüberliegenden postsynaptischen Zone über Transmitterrezeptoren Signal aufgenommen werden.
Funktionsweise
Als Grundlage eines funktionierenden Gehirns gilt eine schnelle und zuverlässige Signalübertragung zwischen den Nervenzellen über den synaptischen Spalt. Zwei Nervenzellen nähern sich an einer Synapse an, um Signale auszutauschen.
Die „aussendende“ Zelle setzt einen Transmitterstoff frei, die „empfangenden“ Zelle erzeugt daraufhin ein neues Signal durch Erzeugung eines Aktionspotentials. Durch genetische Analysen konnte festgestellt werden, dass in der aktiven Zone Matrixproteine unterschiedlicher Familien für die Vesikelfusion eine wichtige Rolle spielen. Diese Proteine tragen dabei zu einem stabilen Aufbau der Synapsen bei.[1] Die Vesikelfusion wird durch SNARE-Proteine vermittelt. Durch Untersuchungen mit einem STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion) gelang es Forschern der Max-Planck-Gesellschaft detailliert Proteine einzelner synaptischer Vesikel zu visualisierten. So konnten sie das Protein Synaptotagmin, das sich in der Membran der Vesikel befindet, sichtbar machen. Synaptische Vesikel sind rund 40 Nanometer kleine Membranbläschen, die mit Nervenbotenstoffen gefüllt sind. Sie transportieren diese Botenstoffe zu den Kontaktstellen zwischen zwei Nervenzellen und übergeben diese an der Synapse, indem sie mit der Membran der Nervenzelle verschmelzen. Dabei wurde nachgewiesen, dass die in der Membran der Vesikel enthaltenen Proteine oder Synaptotagmin-Moleküle, die beispielsweise für eine fehlerfreie Neurokommunikation mitverantwortlich sind, nach der Verschmelzung auf der Nervenmembran miteinander verbunden bleiben. Die in die Membran ausgeschütteten Proteine können so wieder aufgenommen werden.
Die neuronalen Vesikel bevorzugen die „aktiven Zonen“ um ihre Botenstoffe zu übergeben, wobei das bei Fruchtfliegen entdecktes Gerüstprotein Bruchpilot (BRP) entscheidend zum Aufbau dieser aktiven Zonen beiträgt. Die Vesikelfusion ist abhängig vom BRP-Level an der aktiven Zone. Je höher dieses Level ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Zone an einer synaptischen Vesikelfusion beteiligt sein wird. Für eine evozierte Vesikelfusion scheint zudem das Protein Spinophilin oder PI4KIIIα wichtig zu sein. Neben den Proteinen wirkt sich zudem die Lipidzusammensetzung der Plasmamembran auf die synaptische Transmission und die Wahrscheinlichkeit der Fusion aus.[2]
Ein Einströmen von Calciumionen durch die Calciumkanäle löst eine vollständige Fusion des synaptischen Vesikels mit der präsynaptischen Membran aus. An dieser Verschmelzung sind insbesondere die SNARE-Proteine Synaptobrevin, Syntaxin und SNAP-25 beteiligt. Sie bilden eine verdrillte Struktur, die zur Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Membran führt, so dass die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt abgegeben werden. Werden Calciumionen an Synaptotagmin gebunden, so wirken diese als Auslöser für die Freisetzung von Neurotransmittern.[3] Complexin löst hingegen eine Gegenregulation aus, ein Mechanismus, der die Membranfusion und damit die Exozytose von Neurotransmittern unterbindet.[4]
Literatur
- Katrin I. Willig, Silvio O. Rizzoli, Volker Westphal, Reinhard Jahn, Stefan W. Hell: STED microscopy reveals that synaptotagmin remains clustered after synaptic vesicle exocytosis. In: Nature. Band 440, Nr. 7086, 13. April 2006, S. 935–939, doi:10.1038/nature04592 (englisch).
- J. Rizo, C. Rosenmund: Synaptic vesicle fusion. In: Nature Structural & Molecular Biology. Band 15, Nr. 7, Juli 2008, S. 665–674, PMID 18618940, PMC 2519048 (freier Volltext) – (englisch).
- Tobias Mittelstaedt, Elena Álvarez-Barón, Susanne Schoch: Die Cytomatrix der präsynaptischen Aktiven Zone: molekulare Organisation und Funktion. In: Neuroforum. Band 14, Nr. 3, 1. September 2008, S. 217–223 (docplayer.org [PDF]).
- R. J. Kittel, C. Wichmann, T. M. Rasse, W. Fouquet, M. Schmidt, A. Schmid, D. A. Wagh, C. Pawlu, R. R. Kellner, K. I. Willig, S. W. Hell, E. Buchner, M. Heckmann, S. J. Sigrist: Presynaptic secretion of mind-the-gap organizes the synaptic extracellular matrix-integrin interface and postsynaptic environments. In: Developmental Dynamics. Band 238, Nr. 3, 2009, S. 554–571, doi:10.1002/dvdy.21864, PMID 19235718, PMC 2677818 (freier Volltext) – (englisch).
- Hans-Christian Pape, Armin Kurtz, Stefan Silbernagl: Physiologie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2014, ISBN 978-3-13-796007-2, Synaptische Übertragung, doi:10.1055/b-0034-98472.
- Reinhard Jahn: Wie Nervenzellen miteinander reden – molekulare Mechanismen der Neurotransmitter-Freisetzung. In: Jahrbuch der Göttinger Akademie der Wissenschaften. Jahrgang 2015, Nr. 1. Walter de Gruyter, 1. September 2016, ISSN 1868-9191, S. 207–213, doi:10.1515/jbg-2015-0018 (mpibpc.mpg.de).
Weblinks
- Pressemeldung vom 24. August 2000: Göttinger Max-Planck-Wissenschaftler messen die Kalziumempfindlichkeit bei der Fusion synaptischer Vesikel. mpg.de
- Pressemeldung vom 14. April 2006: Ultrascharfes Lichtmikroskop entschlüsselt grundlegende Mechanismen der Nervenkommunikation. mpg.de
Einzelnachweise
- Rui Tian: Structural and functional organization of synaptic proteins in Drosophila melanogaster. Hrsg.: Universität Würzburg Medizinische Fakultät. Institut für Klinische Neurobiologie. Würzburg 2011 (englisch, uni-wuerzburg.de – Dissertation).
- Christina Beis: The Role of Molecular Scaffolds at the Active Zone in Synaptic Vesicle Distribution and Release Probability. Berlin 22. Dezember 2016 (fu-berlin.de).
- Wie die Ausschüttung von Neurotransmittern an Synapsen abläuft. In: Deutsches Ärzteblatt. 15. September 2017 (aerzteblatt.de).
- Vera Zylka-Menhorn, Nicola Siegmund-Schultze: Nobelpreis Medizin und Physiologie: Wie ein Molekül zum richtigen Zeitpunkt an seinen Zielort gelangt. In: Deutsches Ärzteblatt. 2013 (aerzteblatt.de).