Das Gehirn – Gegenstand endloser Untersuchungen, dennoch größtenteils unverstanden. Insbesondere die Kommunikation zwischen Nervenzellen, verantwortlich für unsere Reaktionen auf äußere Einflüsse, bedarf intensiver Studien, um Ursachen neurologischer und psychiatrischer Krankheiten zu verstehen und langfristig zu behandeln. Modernste Techniken zur Inventarisierung und Identifizierung neuer Proteine bilden erste wichtige Schritte.
„Cogito ergo sum – ich denke, also bin ich.” Dieser von dem französischen Philosophen René Descartes 1641 formulierte Satz gibt exemplarisch das währende Interesse an der spannenden Frage des Aufbaus und der Funktion des Gehirns wieder, mit der sich die Menschheit bereits seit prähistorischen Zeiten beschäftigt. Wie ist unser Gehirn aufgebaut, welche Bereiche steuern Gedächtnis oder Emotionen, wie werden Muskelbewegungen koordiniert, wie der Tag-Nacht-Rhythmus reguliert? Nur Teilaspekte dieser Fragen sind bisher geklärt. Seit einigen Jahrzehnten wird intensiv an der Frage der Kommunikation von Nervenzellen geforscht, welche essenziell für all diese Gehirnfunktionen ist. Vom medizinischen Standpunkt aus ist diese Forschung unabdingbar, um neurologische und psychiatrische Krankheiten wie Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson und Huntington, Epilepsien, Depressionen oder Migräne behandeln zu können und Wirkungsmechanismen von Drogen wie Kokain, Ecstasy und LSD aufzuklären oder Toxinen wie dem Tetanus- oder Botulinumtoxin entgegenwirken zu können.
Wie sprechen Nervenzellen miteinander? Das menschliche Gehirn besitzt Schätzungen zufolge etwa 100 bis 1000 Milliarden Nervenzellen, die über ungefähr 1000 Billionen Kontakte ein kompliziertes Netzwerk bilden. Bei jeder Wahrnehmung „feuern” Millionen von Nervenzellen mit Geschwindigkeiten von bis zu 360 Kilometer pro Stunde Nachrichten aufeinander und vermitteln dadurch Antworten des Körpers auf Änderungen der Umgebung. Hierin ähneln Nervenzellen Computern – sie empfangen Nachrichten, verarbeiten diese und leiten die Resultate als neue Nachrichten an andere Zellen weiter. Direkt verantwortlich sind synaptische Vesikel. Diese runden Bläschen sind zehntausend Mal kleiner als der Kopf einer Reißzwecke und befinden sich zu Hunderten in den Nervenzellen. Sie enthalten Botenstoffe, Signalsubstanzen, welche bei Aktivierung der Nervenzelle innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde aus der Zelle freigesetzt werden und an benachbarte Nervenzellen binden. Abhängig vom Botenstoff – man kennt mehr als 50 verschiedene Substanzen – unterscheidet sich die Reaktion der benachbarten Zellen. Sie können gehemmt, aktiviert oder moduliert werden, um empfänglicher oder weniger empfänglich für andere Botenstoffe zu werden. Dieser Prozess wiederholt sich wieder und wieder, sodass sich in sehr kurzer Zeit Tausende von Nervenzellen miteinander verständigen. Eine genaue Regulation dieser äußerst komplexen Vorgänge scheint daher zunächst unmöglich, ist aber absolut notwendig, um eine unkontrollierte Kommunikation zwischen Nervenzellen und damit einen Kollaps des Gehirns zu verhindern. Wie schaffen es die Zellen, diese schwierige Aufgabe innerhalb solch kurzer Zeit auszuführen?
Weltweit herrscht Konsens darüber, dass man diese Zusammenhänge besser verstehen kann, sobald der Aufbau des Gehirns und dessen Unterstrukturen gelöst ist. Der Aufklärung der Zusammensetzung synaptischer Vesikel wurde dabei in den letzten Jahrzehnten besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Die Vesikel ähneln einem Luftballon, wobei die Haut des Luftballons aus Fetten besteht. In diese Fettschicht sind Eiweiße, auch Proteine genannt, ein- und angelagert. Proteine sind die Arbeiter der Zellen, während unser Erbgut, die DNA, lediglich als Anleitung für den Bau der Proteine dient.
Aber was arbeiten Vesikelproteine? Sie befüllen die Vesikel mit Botenstoffen, transportieren sie auf einem Schienennetzwerk innerhalb der sehr viel größeren Nervenzelle und agieren in der Freisetzung der Botenstoffe. Wie auf einem Fabrikfließband dienen sie als Schalter, Barrieren, Pumpen und Transporter, die in einer bestimmten Reihenfolge bestimmte Dinge ausführen. Klar ist: Nur durch ein genau abgestimmtes Spiel der verschiedenen Proteine lassen sich diese komplexen Aufgaben fehlerfrei ausführen. Die Identifizierung dieser Proteine und die Aufklärung ihrer Funktion stellen Wissenschaftler vor eine große Herausforderung. Was macht die Sache so schwierig?
Bis heute stellen technische Grenzen die größte Herausforderung dar. Es klingt einfach, Vesikel zu isolieren und die Proteine zu identifizieren – die Wirklichkeit sieht anders aus. Oftmals enthalten die Proben Kontaminationen mit anderen Bestandteilen der Nervenzelle, sodass die Ergebnisse nicht verwertbar sind. Diese Problematik konnte Jacqueline Burré, Wissenschaftlerin an der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main, in ihrer Doktorarbeit durch die Entwicklung einer einfach anwendbaren Technik lösen: Synaptische Vesikel werden an winzige magnetische Kügelchen gekoppelt und können mit einem Magneten aus den übrigen Bestandteilen der Zelle herausgezogen werden – wie die sprichwörtliche Nadel aus dem Heuhaufen.
Aber ist dies effizient? Ja, und wie! Dieses erste Teilziel erreicht, standen die Wissenschaftler vor dem Problem einer gründlichen Inventarisierung der Vesikelproteine. Insbesondere die Beschaffenheit der in die Fettschicht eingelagerten Proteine birgt die großen Herausforderungen unserer Zeit. Des Rätsels Lösung: die Entwicklung, Optimierung und Kombination neuer und bestehender Techniken, deren Ziel es zunächst ist, die Proteine voneinander zu trennen. Sucht man in einem Haufen unterschiedlichster Bauklötze nach einem roten Klotz bestimmter Größe und Form, so wird die Notwendigkeit einer Trennung deutlich.
Konkret bedeutet dies: Je besser die Trennung, desto höher liegen die Chancen, alle Proteine erfassen und auch bisher unbekannte Proteine entdecken zu können. Beispielsweise kann man mittels Elektrophorese Proteine über den sogenannten Siebeffekt nach Größe trennen. Ähnlich einem Küchensieb oder Kaffeefilter gelangen größere Proteine nur sehr langsam durch die Poren oder bleiben sogar stecken, während kleinere Eiweiße sehr schnell passieren können. Verwendet man hintereinander verschiedene Filter mit unterschiedlich großen Poren, so erreicht man eine sehr hohe Trennwirkung. Das größte zu überwindende Problem liegt hierbei darin, die Proteine nicht verklumpen zu lassen. Zum Beispiel sollte man auf Erhitzen verzichten, wie am Beispiel des Spiegeleis deutlich wird: Die flüssige Substanz wird in der Pfanne schnell fest und würde nicht mehr durch ein Sieb laufen. In ähnlicher Weise würden die Proteine verklumpen oder aggregieren und sich nicht mehr trennen lassen. Getrennte Proteine werden deshalb im nächsten Schritt mit einer biologischen Schere, dem Enzym Trypsin, in kleine Stückchen geschnitten. Intakte Proteine sind für eine Messung nicht geeignet.
Mittels Massenspektrometer, einer Art sehr empfindlicher Waage, bestimmt man die Größe, korrekterweise die Masse, dieser Peptide. Für jedes Protein ergibt sich ein unverwechselbares Muster, ein Fingerabdruck. Wie in der Kriminalistik wird anschließend dieser Fingerabdruck per Computer mit einer Datenbank von Fingerabdrücken aller Proteine verglichen. Erhält man eine Übereinstimmung, so ist das Protein identifiziert. Ein einzelner Fingerabdruck ist hierbei leichter, schneller und vor allem sicherer zuzuordnen als 100 oder mehr übereinanderliegende – ein weiterer Vorteil der vorherigen Proteintrennung.
Das aufsehenerregende Ergebnis unserer Forschung bestand darin, dass etwa fünfmal so viele Vesikelproteine identifiziert wurden wie bisher angenommen. Hierzu zählen auch Proteine, die völlig neu sind, über die also weder bekannt ist, was sie für Aufgaben besitzen, noch wo sie im Gehirn vorkommen. Quo vadis, Protein – was nun? In ersten Experimenten untersuchten die Forscher die Verteilung neuer Proteine im Gehirn. Faszinierenderweise konnte eines der Proteine in nur etwa zehn Prozent aller Nervenzellen und in ganz bestimmten Gehirnregionen nachgewiesen werden, was auf eine sehr spezielle Funktion hinweist. Um diese Funktion und die all der anderen unbekannten Proteine untersuchen zu können, wäre der nächste Schritt der Knockout des jeweiligen Proteins. Gezüchteten Knockout-Mäusen fehlt das Erbgut für ein bestimmtes Protein. Konkret bedeutet dies, dass die Mäuse nicht in der Lage sind, dieses Protein herzustellen, da die Anleitung fehlt. Je nach Wichtigkeit des Proteins leben die Mäuse wie ihre normalen Artgenossen weiter oder weisen Merkmale für mentale oder psychische Krankheiten oder andere Störungen auf. Letztere sind von großem Interesse, da sich an ihnen zum Beispiel Krankheitsverläufe vom Früh- bis zum Spätstadium verfolgen und Medikamente zur Behandlung der Krankheiten testen lassen. Allerdings ist die Züchtung solcher Knockout-Mäuse ein zeit- und kostenintensiver Prozess und muss in Anbetracht der Vielzahl möglicher pharmazeutischer Angriffspunkte gut abgewägt werden.
Die spannende Frage nach der Funktion der identifizierten neuen Proteine bleibt demnach erst einmal offen und wird die Wissenschaft die nächsten Jahre und Jahrzehnte beschäftigen, ganz im Sinne des bedeutenden englischen Naturwissenschaft- lers Isaac Newton (1643 – 1727): „Sein und Wissen ist ein uferloses Meer: Je weiter wir vordringen, um so unermesslicher dehnt sich aus, was noch vor uns liegt; jeder Triumph des Wissens schließt hundert Bekenntnisse des Nichtwissens in sich.” Aber genau das ist das Reizvolle! ■
Text: Jacqueline Burré
