Forscher entdeckten ein Molekül, das menschliche Nervenzellen vor Reizüberlastung schützt

Es klingt noch immer ein wenig wie Science-Fiction: Ein Forscher möchte wissen, was im Inneren des Menschen vor sich geht und blickt dafür mit einem wundersamen Gerät in dessen Körper. Er durchleuchtet die Zellen, zoomt einzelne Moleküle heran und beobachtet ihre Bewegungen. Tatsächlich ist der Forscheralltag der Utopie schon verblüffend nahe gekommen.

Wenn Volker Haucke in einem Kellerraum des Instituts für Chemie und Biochemie an der Freien Universität Berlin in sein Fluoreszenz-Mikroskop blickt, dann kann er das molekulare Geschehen in lebenden Zellen beobachten: „Wir können die Moleküle quasi mit Handschlag begrüßen“, sagt der Zellbiologe. Der Trick besteht darin, bestimmte Moleküle gezielt mit einem fluoreszierenden Farbstoff zu markieren. Bestrahlt man dann Zellen, die in einer Nährlösung schwimmen, mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, so leuchten die Moleküle auf und senden andersfarbiges Licht zurück. Einige Mikroskope sind inzwischen so empfindlich, dass sie sogar einzelne Moleküle erspähen können. Selbst Filmaufnahmen sind mit der Technik möglich. Die Geräte erlauben den Blick auf ein Gewimmel Tausender verschiedener Eiweißstoffe – wovon jeder einzelne eine lebenswichtige Aufgabe in der komplizierten chemischen Choreografie der Zellen hat.

Auf diese Weise hat Volker Haucke mit seinem Team gerade einen neuen Akteur entdeckt: Das Molekül „Stonin 2“. Es trägt dazu bei, dass Nervenzellen dauerhaft Reize weiterleiten können, ohne bei längerer Beanspruchung zu ermüden. „Stonin 2“ findet man beim Menschen vor allem im Gehirn und dort gehäuft im Hippocampus, einer Hirnregion, die für das Lernen und das Gedächtnis zuständig ist. Was das Molekül dort aber genau bewirkt, war bislang unklar. Jetzt ist Volker Haucke in Zusammenarbeit mit Jürgen Klingauf vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen der entscheidende Schnappschuss gelungen. Er hat in zahlreichen Versuchsanordnungen ins Innere von Nervenzellen geblickt, wobei Momentaufnahmen von „Stonin 2“ gelungen sind, die dieses als Akteur bei der Entstehung von Nervensignalen zeigen. Damit hat Haucke Licht in einen bislang noch nicht genau verstandenen Vorgang gebracht.

Jede der 100 Milliarden Nervenzellen des Gehirns bildet an bis zu 10 000 Stellen Kontakte zu anderen Zellen aus. An diesen Kontaktstellen, den Synapsen, berühren sich die Zellen beinahe, aber nicht ganz – zwischen ihnen bleibt immer ein winziger Spalt. Ein ankommendes elektrisches Signal kann diesen Zwischenraum nicht überspringen und muss in eine chemische Botschaft übersetzt werden, damit der Reiz weitergeleitet werden kann. Die Nervenzelle schüttet deshalb Neurotransmitter aus, die von den Nachbarzellen erkannt werden. Die Botenstoffe befinden sich in winzige Bläschen verpackt im Inneren der Zelle. Bei einem Signal verschmelzen sie mit der Außenhaut der Zelle und stülpen gleichsam ihr Inneres nach außen. Diese Verschmelzung wird unter anderem durch ein Eiweißmolekül namens Synaptotagmin vermittelt, das in der hauchdünnen Membran sitzt, aus der die Bläschen gebildet sind.

Nervenzellen können im Abstand von fünf Millisekunden Signale senden, und jedes Mal läuft der gleiche Prozess aufs Neue ab. Schon bald wären alle mit Neurotransmittern gefüllten Bläschen erschöpft. Das wird durch eine Art Recycling-Prozess verhindert: Im gleichen Maße, wie die Bläschen aus dem Inneren der Zelle mit der Zellmembran verschmelzen, so schnüren sie sich auch wieder ab, wandern zurück und werden neu befüllt. Auch das nötige Synaptotagmin wird dabei wieder eingesammelt. Hier kommt die von Haucke entdeckte Wirkungsweise von „Stonin 2“ ins Spiel. Im Inneren der Zelle bindet es gezielt an die Synaptotagmin-Moleküle, die nach dem Verschmelzen der Bläschen in der Außenhaut der Zelle gestrandet sind. Das ist ein Signal für weitere Eiweißmoleküle, sich an dieser Stelle anzulagern. Sie bilden eine nach innen gewölbte, netzartige Struktur, aus der sich schließlich die Bläschen herauslösen. Auf diese Weise beschleunigt „Stonin 2“ den Recyclingprozess. „Der ganze Kreislauf dauert nur 60 Sekunden“, so Haucke. „Bläschen wandern hin und her und werden immer wieder neu mit Neurotransmittern befüllt. Das ganze System arbeitet sehr schnell und hochselektiv.“

Als Nächstes möchte Haucke herausfinden, welche Rolle „Stonin 2“ beim Denken spielt. „Vielleicht wäre ein menschliches Gehirn ohne „Stonin 2“ bei intensiven Reizen schneller überlastet, vielleicht gäbe es auch epileptische Anfälle“, spekuliert Haucke. Das Rätsel der höheren Denkvorgänge ist ein noch lange nicht gelöstes Puzzle – mit „Stonin 2“ sind die Forscher auf ihrem langen Weg aber einen Schritt vorangekommen.

Von Birgit Herden