Forscher entdecken eine enge Beziehung zwischen der lokalen Proteinsynthesemaschinerie in Dendriten und ihren neu gebildeten Proteinen

Um Informationen zu speichern und zu verarbeiten, produziert, verteilt und verarbeitet das Gehirn ständig Proteine, die essentielle zelluläre Ressourcen sind. Vor allem die Synapsen, die im Gehirn durchschnittlich über 100.000 Billionen Proteine ​​pro Tag verbrauchen, haben einen hohen Bedarf an Proteinen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung, des Max-Planck-Florida-Instituts und der Goethe-Universität Frankfurt haben nun eine enge räumliche Beziehung zwischen der Proteinproduktionsmaschinerie und den Produkten in Neuronen in einer noch nie dagewesenen Auflösung gezeigt. Ihre Ergebnisse legen die gemeinsame Nutzung lokaler Ressourcen nahe: eine "Nachbarschaft" von Synapsen.

Biologische Kompartimente können autonom funktionieren, indem sie zellbiologische Organellen und Maschinen lokalisieren. In Neuronen finden sich Ribosomen, die Fabriken für die Proteinsynthese, in etwa 85% der Synapsen und versorgen lokal die synaptischen Nachbarschaften mit neu synthetisierten Proteinen.

© Max-Planck-Institut für Hirnforschung / J. Kuhl

Neuronen verarbeiten ständig Informationen von Tausenden von Synapsen. Diese sitzen in großer Zahl auf Dendriten (den informationsempfangenden Anhängseln), die bis zu Hunderte von Mikrometern vom Zellkörper, der autonomen Einheit der Zelle, entfernt sein können. Im Gegensatz zu anderen (Rund-)Zellen stellt die Verteilung von Gütern (Proteinen) für Neuronen eine besondere „logistische Herausforderung“ dar.

Die Landschaft der neuronalen Proteinproduktion (Heatmap) und Verteilung (Konturkarte) ähnelt einer regionalen Regen-/Wetterkarte (links). Die synaptische Aktivität ist ein guter Indikator für die lokale Proteinversorgung. Visualisierung der neu synthetisierten Proteine ​​mit Einzelmoleküllösung (rechts).

© Max-Planck-Institut für Hirnforschung / C. Sun. Modifiziert von Sun et al. 2021.

Anstatt nur eine zentrale Quelle (den Zellkörper) zu verwenden, was angesichts des großen neuronalen Volumens ziemlich ineffizient wäre, haben Neuronen eine lokale Lösung gefunden. Sie verwenden Ribosomen, die Proteinsynthesemaschinen, und Boten-RNAs (mRNAs), die Matrizen für die Proteinsynthese, an „lokalen Knoten“. „Diese können weit entfernte Synapsenpopulationen versorgen“, sagt Prof. Erin Schuman, Direktorin am Max-Planck-Institut für Hirnforschung.

Während die lokale Proteinsynthese für verschiedene Mechanismen der synaptischen Plastizität – eine Voraussetzung für Lernen und Gedächtnis – erforderlich ist, ist die Häufigkeit und Verteilung von Ribosomen und neu synthetisierten Proteinen in der Nähe von Synapsen noch nicht gut erforscht. Schuman und ihr Team haben nun Ribosomen und ihre Produkte (neu synthetisierte Proteine) mit bisher unerreichter Auflösung mittels DNA-PAINT und metabolischer Markierung in Kombination mit superauflösender Mikroskopie nachgewiesen.

"Wir fanden Ribosomen in der Nähe von ~ 85% der Synapsen, mit durchschnittlich zwei Proteinproduktionsstellen pro Synapse. Überraschenderweise wurde fast die Hälfte der resultierenden Proteinprodukte in der Nähe von Synapsen verteilt. Dies deutet darauf hin, dass die lokale Proteinproduktion in der Nähe von Synapsen sogar weit verbreitet ist unter fundamentalen Bedingungen", erklärt Chao Sun, Postdoc im Schuman-Labor, der die Arbeit leitete.

Die Proliferation von Proteinproduktionsstätten in neuralen Dendriten. Gemeinsamer Nachweis von Ribosomen (magenta / grün) und deren neu synthetisierten Proteinprodukten (blau) mittels hochauflösender Mikroskopie.

© Max-Planck-Institut für Hirnforschung / C. Sun. Modifiziert von Sun et al. 2021.

Wie viel Protein erhält jede Synapse und teilen sich synaptische Cluster die Versorgung? Um die Dynamik der lokalen Proteinverteilung zwischen benachbarten Synapsen bei spontaner neuronaler Aktivität zu untersuchen, stimulierten die Forscher Neuronen sowohl global als auch lokal mit hoher räumlicher Präzision. „Es stellte sich heraus, dass die synaptische Aktivität ein guter Indikator für die lokale Proteinversorgung ist“, sagt Sun. "Interessanterweise war die globale Proteinverteilung im Neuron homogen, aber benachbarte Synapsen hatten oft sehr heterogene Proteinversorgungsniveaus. Und dieser lokale Unterschied bleibt sowohl während der globalen als auch der lokalen synaptischen Plastizität bestehen."

Schuman: „Dieses logistische Schema könnte eine gute Lösung sein, um die Homöostase der gesamten synaptischen Population aufrechtzuerhalten und gleichzeitig lokale Diversität zu ermöglichen. Das Verständnis der Beziehung und Dynamik zwischen der Ressource und dem Proteinprodukt wird es uns ermöglichen, die Mechanismen der synaptischen Plastizität zu entschlüsseln. "

Die Corona-Pandemie prägt unseren Alltag seit fast zwei Jahren. In diesem Podcast erklärt Tania Singer, Leiterin der Forschungsgruppe Soziale Neurowissenschaften der Max-Planck-Gesellschaft, warum wir immer ängstlicher, depressiver und weniger widerstandsfähig werden, je länger die Corona-Pandemie dauert

Bayern fördert den kompetitiven Ausbau des Max-Planck-Campus Martinsried zu einem Standort für internationale Spitzenforschung mit bis zu 500 Millionen Euro

Mäuse meistern komplexe Gedanken mit einer erstaunlichen Abstraktionsfähigkeit

Studien an Mäusen zeigen, dass Nervenzellen im Gehirn drahtlos über Nanoelektroden stimuliert werden können

Max-Planck-Wissenschaftler haben im Jahr 2020 viele hochkarätige Publikationen veröffentlicht. Wir haben eine Auswahl getroffen und stellen Ihnen 13 Highlights vor. Eine Rezension

Wissenschaftler entdecken ein Neuropeptid, das das soziale Umfeld von Fischen widerspiegelt

Myelinbildende Gliazellen sind entscheidend für die zeitliche Verarbeitung akustischer Signale

Forscher schalten ein Protein in den Nervenfasern von Mäusen ab und erhöhen damit die Geschwindigkeit der Reizübertragung

Dank einer Stoffwechselumstellung können diese Zellen trotz Schädigung der Mitochondrien funktionsfähig bleiben

Menschen, die einen bestimmten Ionenkanal von Neandertalern geerbt haben, haben mehr Schmerzen

Durchtrennte Nervenbahnen sind schwer zu behandeln. Bisher sind die Schäden, wenn überhaupt, nur durch aufwendige Eingriffe zu beheben. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben wir Materialien entwickelt, die verletzte Nerven zum Wachstum anregen