Blinde Fliegen ohne Recycling
Wie Drosophila den Botenstoff Histamin wiederverwertet
In der Taufliege Drosophila sind die Funktionen der drei Enzyme Tan, Ebony und Black eng verwoben – unter anderem sind sie am Botenstoff-Recycling für den Sehprozess beteiligt. RUB-Forscher aus der AG Molekulare Zellbiochemie zeigten erstmals, dass Fliegen ohne dieses Recycling nicht sehen können. Ihre Analyse des Enzyms Black gibt aber auch neue Rätsel um dessen Funktion auf.
Die Enzyme Tan (blau), Ebony (magenta) und Black (grün) im Gehirnschnitt von Drosophila. Die Photorezeptorzellen der Retina stellen das Enzym Tan her (blau, links oben). Von der Retina gelangt die Sehinformation in die sogenannten optischen Loben des Gehirns, die unter anderem aus Lamina und Medulla bestehen. Spezielle Gliazellen der Lamina (helle Struktur in der Mitte) und Medulla (Struktur rechts) produzieren die beiden Enzyme Ebony und Black. Die Forscher färbten die Enzyme mit Antikörpern an.
© Anna Ziegler, RUB, Dissertation 2010
Ein Querschnitt durch die Lamina, der ersten Verschaltungsstelle der Sehzellen von Drosophila, zeigt den Hauptfortsatz der Photorezeptoren umgeben von Gliazellen. Das Enzym Tan (blau) findet sich in den Photorezeptor-Fortsätzen, Ebony (magenta) und Black (grün) in den Gliazellen. Die Forscher färbten die Enzyme mit Antikörpern an.
© Anna Ziegler, RUB, Dissertation 2010
Tan, Ebony und Black sind wichtig für den Sehprozess und die Bildung der Kutikula
Die Gene tan, ebony und black der Taufliege enthalten die Baupläne für drei gleichnamige Enzyme, die zusammenwirken, um die Außenhülle des Körpers, die Kutikula, zu bilden. Die gleichen Enzyme kommen aber auch im Facettenauge der Fliegen vor. Forscher gehen daher davon aus, dass Tan, Ebony und Black beim Sehen – ähnlich wie bei der Kutikulabildung – zusammenarbeiten. Tatsächlich bewirken Mutationen der ebony- und tan-Gene, dass die Fliegen nicht mehr richtig sehen. Eine Mutation des black-Gens hingegen hat keinen solchen Effekt. Das Team um Prof. Hovemann untersuchte, wo im Facettenauge das Enzym Black vorkommt und welche Rolle es beim Sehen spielt.
Black und Ebony treten immer zusammen auf
Zunächst testeten die Wissenschaftler, wo in den Facettenaugen der Taufliege und in ihren Extraaugen am Kopf, den Ocelli, die Gene ebony und black aktiv sind. Sie nahmen verschiedene Typen der lichtsensitiven Zellen, Photorezeptoren genannt, unter die Lupe. Das Ergebnis: Beide Gene werden stets gemeinsam abgelesen – genau wie in der Kutikula. Das legt nahe, dass die Funktionen der Enzyme Ebony und Black eng aneinander gekoppelt sind.
Sehen erfordert einen kontinuierlichen Fluss des Botenstoffs Histamin
Fällt Licht auf das Facettenauge, schütten die Photorezeptoren den Botenstoff Histamin aus. In früheren Studien zeigten die Bochumer Biochemiker bereits, dass Histamin recycelt wird – und zwar in den Gliazellen, die die Photorezeptoren umgeben. Dort inaktiviert das Enzym Ebony den Botenstoff Histamin, indem es ihn an die Aminosäure β-Alanin bindet. Dabei entsteht β-Alanyl-Histamin, das aus den Gliazellen zurück in die Photorezeptoren transportiert wird. Hier spaltet das Enzym Tan β-Alanin wieder ab; Histamin entsteht. Bislang ging man davon aus, dass das Enzym Black dafür verantwortlich ist, das β-Alanin zu produzieren, das für die Inaktivierung von Histamin nötig ist. Besitzt ein Fliegenauge jedoch kein funktionstüchtiges Black, läuft der Sehprozess trotzdem normal ab. Hovemanns Team ging deshalb der Frage nach, ob es einen anderen Nachschubweg für β-Alanin gibt. Sie testeten auch, ob das Fliegenauge das Histamin-Recycling umgehen kann, indem die Photorezeptoren den ausgeschütteten Botenstoff direkt wieder aufnehmen, ohne dass er in den Gliazellen inaktiviert wird.
Kein funktionstüchtiger Sehsinn ohne Histamin-Recycling
Die Forscher untersuchten Fliegen, die weder Histamin selbst herstellen, noch es recyceln konnten. Denn ihnen fehlte das Enzym für die Histamin-Synthese und das Enzym Ebony. Die Sehleistung der Fliegen maß das Team mit dem sogenannten Elektroretinogramm, das nicht nur die Erregung der Photorezeptorzellen anzeigt, sondern auch die Weiterleitung des Signals ins Gehirn. Auch wenn die Wissenschaftler Histamin von außen zugaben, waren die Fliegen blind. Mit diesem Test zeigten sie erstmals, dass Drosophila beim Sehen auf das Histamin-Recycling in den Gliazellen angewiesen ist. Ohne das Recycling-Enzym Ebony können die Zellen im Insektenauge nichts mit dem Botenstoff anfangen.
Fliegen sehen auch bei gestörter β-Alanin-Produktion
Die Forscher untersuchten Fliegen, die weder Histamin selbst herstellen, noch es recyceln konnten. Denn ihnen fehlte das Enzym für die Histamin-Synthese und das Enzym Ebony. Die Sehleistung der Fliegen maß das Team mit dem sogenannten Elektroretinogramm, das nicht nur die Erregung der Photorezeptorzellen anzeigt, sondern auch die Weiterleitung des Signals ins Gehirn. Auch wenn die Wissenschaftler Histamin von außen zugaben, waren die Fliegen blind. Mit diesem Test zeigten sie erstmals, dass Drosophila beim Sehen auf das Histamin-Recycling in den Gliazellen angewiesen ist. Ohne das Recycling-Enzym Ebony können die Zellen im Insektenauge nichts mit dem Botenstoff anfangen.
Fliegen sehen auch bei gestörter β-Alanin-Produktion
Zellen können β-Alanin nicht nur mit Hilfe des Enzyms Black herstellen, sondern auch, indem sie über andere Enzyme das Molekül Uracil in β-Alanin umbauen. Hovemanns Team inaktivierte beide Produktionswege für β-Alanin und testete erneut die Sehfähigkeit der Taufliegen. Laut Elektroretinogramm war der Sehsinn der Tiere mit der Doppelmutation nicht beeinträchtigt. „Die Ergebnisse scheinen einen Widerspruch darzustellen“, sagt Bernhard Hovemann. „Obwohl die Insektenaugen der Doppelmutante kein β-Alanin herstellen können, scheinen die Tiere ganz normal zu sehen. Gleichzeitig zeigen unsere Daten eindeutig, dass das Recycling durch Anheften von β-Alanin notwendig ist, damit die Tiere sehen können.“ Die Forscher vermuten, dass β-Alanin ebenfalls in einem Kreislauf zwischen Gliazellen und Photorezeptoren recycelt wird. Das Enzym Black sorge lediglich dafür, β-Alanin-Verluste auszugleichen. „Das würde erklären, warum sich bei Fliegen, die kein neues β-Alanin herstellen können, nicht unmittelbar Sehstörungen finden lassen“, so Hovemann. Dieses Rätsel werden aber erst weitere Studien lösen können.
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