Spezialisierte Nervenzellen für Sprinter
Neue Erkenntnisse für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen
Gehen, joggen oder sprinten - je schneller wir uns bewegen, desto mehr Kraft müssen unsere Muskeln dafür bereitstellen. Unterschiedliche Typen von spezialisierten Nervenzellen, sogenannten Motoneuronen, setzen dafür Nervenimpulse aus dem Gehirn gezielt in langsame, ausdauernde oder sehr schnelle Bewegung um. Bislang war nicht bekannt, worin sich Motoneuronen auf molekularer Ebene unterscheiden, wie sich während der Embryonalentwicklung unterschiedliche Typen von Motoneuronen ausbilden und wie genau die einzelnen Arten von Neuronen zur Erzeugung von Bewegungen beitragen. Ein Forscherteam um Dr. Till Marquardt vom European Neuroscience Institute Göttingen (ENI-G) und dem DFG-Forschungszentrum und Exzellenzcluster für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) hat jetzt einen genetischen Mechanismus entdeckt, der die Ausbildung unterschiedlicher Typen von Motoneuronen steuert. Die Forschungsergebnisse könnten die Grundlage für neue therapeutische Strategien beim Verlust der Muskelfunktion im Alter oder im Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen sein.
Das Bild zeigt zwei verschiedene Typen von Motoneuronen, die mit einem grünen Fluoreszenzfarbstoff markiert wurden.
Abb.: ENI-G, Göttingen
Ergebnisse
Entdeckt haben die Göttinger Forscher das Gen Dlk1 (Delta-like homologue 1). Dlk1 dient als molekularer Schalter, der die Aktivität einer Vielzahl von anderen Genen in Motoneuronen koordiniert. Diese Aufgabe übernimmt das Gen allerdings nur in etwa einem Drittel aller Motoneurone. Die von Dlk1 regulierten Gene erlauben es dieser Gruppe von Motoneuronen, nur dann aktiviert zu werden, wenn sehr schnelle oder sehr kraftintensive Bewegungen erforderlich sind. Was dies in der Praxis bedeutet, haben die Wissenschaftler an Mäusen beobachtet: "Mäuse, denen das Dlk1-Gen fehlt, können den schnellen Anstieg von Muskelkraft, der nötig ist, um die Beine während des schnellen Laufens zu bewegen, nicht aufbringen. Mäuse mit Mutationen im Dlk1-Gen sind schlechte Sprinter", sagt Dr. Till Marquardt, Leiter des Projekts und Senior-Autor der Publikation. "Joggen können diese Mäuse aber noch ganz gut, da andere Motoneurone, die eine schwächere, aber ausdauerndere Muskeltätigkeit vermitteln, funktionsfähig bleiben."
Diese jetzt veröffentlichten Erkenntnisse sind das Ergebnis von sieben Jahren Forschungsarbeit. Zunächst mussten die Wissenschaftler dafür systematisch Gene aus den verschiedenen Typen von Motoneuronen isolieren. Um die verschiedenen Typen von Motoneuronen zu identifizieren, zeichneten sie deren elektrische Aktivität auf. Dabei verwendeten sie eine Technik namens Patch-Clamping. Das Verfahren wurde vor 30 Jahren in Göttingen von den Nobelpreisträgern Erwin Neher und Bernd Sakmann etabliert. Dr. Marquardts Team entwickelte eine neue Methode, um Gene in Motoneuronen von Hühnerembryonen an- und ausschalten zu können. Auf diese Weise entdeckten die Wissenschaftler schließlich die Schlüsselrolle des Dlk1-Gens bei der Ausbildung von Vielfalt und Funktion von Motoneuronen.
Erkenntnisse für neue Therapien bei Muskelschwund
"Dank der neuen Erkenntnisse lernen wir viel darüber, wie das Gehirn Bewegungen steuert. So könnten therapeutische Strategien entwickelt werden, die den Verlust der Muskelfunktion im Alter oder im Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen verlangsamen oder aufhalten können", sagt Dr. Marquardt.
Neuartige therapeutische Strategien ließen sich auf Grundlage der neuen Ergebnisse zum Beispiel für neurodegenerative Erkrankungen wie ALS (Amyotrophe Lateralsklerose) entwickeln. Die unheilbare Motoneuronen-Erkrankung ALS verursacht eine fortschreitende Lähmung der Muskulatur. In der Regel führt dies innerhalb weniger Jahre nach der Diagnose zum Tod. Dabei ist genau jener Typ von Motoneuronen als erster von der Erkrankung betroffen, dessen Entwicklung von Dlk1 abhängt. Auch bei gesunden Menschen gehen mit zunehmendem Alter allmählich jene Motoneurone verloren, die große Muskelkraft erzeugen. Die neuen Kenntnisse über die von Dlk1 regu-lierten genetischen Programme könnten dabei helfen, die Frage zu beantworten, warum einige Motoneurone schneller von degenerativen Prozessen betroffen sind als andere.
Wie werden Nervenimpulse aus dem Gehirn in Bewegungen umgesetzt? Diese Aufgabe übernehmen spezialisierte Nervenzellen, sogenannte Motoneurone, in Rückenmark und Hinterhirn. Wenn ein Motoneuron eine ausreichende Anzahl von Nervenimpulsen empfängt, reagiert es, indem es eine Salve von Nervenimpulsen feuert, die Muskelkontraktionen auslösen. Motoneurone unterscheiden sich in der Art und Weise, in der sie auf Nervenimpulse aus dem Gehirn reagieren und durch die Art der Muskeltätigkeit, die sie steuern. Zum Beispiel beruht die scheinbar einfache Aufgabe, die Wirbelsäule aufrecht zu halten, auf Motoneuronen, die nahezu unendlich lange feuern können, um schwache Muskelkontraktionen auszulösen, die der Schwerkraft entgegenwirken. Kraftintensive Bewegungen wie Kurzsprints oder Gewichtheben dagegen werden von Motoneuronen gesteuert, die weniger leicht anzuregen sind, aber nach Aktivierung eine explosionsartige Kraftentwicklung im Muskel bewirken. Man nimmt an, dass die aufeinanderfolgende Aktivierung der verschiedenen Motoneuronen flüssige Bewegungsabläufe ermöglicht.
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