18. Januar 2017

Wissenschaftler entdecken Sensor, der Synapsen beschleunigt

Kalziumsensor an inhibitorischer Synapse identifiziert – Studie geleitet von Peter Jonas erscheint in Cell Reports

Synapsen, die Verbindungen zwischen Neuronen, gibt es in verschiedenen Varianten. Sie unterscheiden sich durch die Chemikalie, die sie als Botenstoff verwenden. Botenstoffe, oder Neurotransmitter, werden an der Synapse freigesetzt nachdem Kalziumionen in das Neuron einströmen. Synapsen, die einen Botenstoff namens GABA verwenden – die GABAergen Synapsen – zeichnen sich durch ihre Geschwindigkeit und Präzision aus. Das Geheimnis hinter ihrer Geschwindigkeit war jedoch bis jetzt nicht vollständig bekannt, eben so wenig wie der Sensor, mit dem sie das Einströmen des Kalziums messen. Beide Fragen beantwortet nun eine Studie, die heute in Cell Reports erscheint. Sie wurde von Peter Jonas, Professor am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), gemeinsam mit seiner Gruppe sowie Forschern am Max Planck Florida Institute for Neuroscience durchgeführt. Sie fanden heraus, dass GABAerge Synapsen ihre Signale zum Teil aufgrund ihres Kalziumsensors so schnell und präzise senden können, und dass Synaptotagmin 2 in dieser Art von Synapse der wichtigste Sensor für die Kalziummenge im Neuron ist. „Wir haben zum ersten Mal den Kalziumsensor identifiziert, der das Ausschütten von Neurotransmitter an einer inhibitorischen Synapse auslöst“, fasst Peter Jonas zusammen.

Interneuronen, die GABA als Neurotransmitter verwenden, sind wichtig um die Aktivität in neuronalen Mikroschaltkreisen zu kontrollieren. In allen Gehirnregionen und Spezies ist das Kennzeichen dieser GABAergen Interneuronen die Geschwindigkeit, mit der sie Signale senden: die Verzögerung zwischen Stimulation und Antwort liegt im Bereich von Submillisekunden. Peter Jonas und sein Team fragten sich, ob der Kalziumsensor, der das Freisetzen von Neurotransmitter auslöst, zu dieser Geschwindigkeit beiträgt. In ihrer Studie untersuchen sie die Synapse zwischen Korbzellen und Purkinje Zellen. Diese wichtige inhibitorische Synapse befindet sich im Kleinhirn, einer  Gehirnregion, die wichtige Aufgaben bei der Steuerung der Motorik erfüllt. 

Während Synaptotagmin 1 als Kalziumsensor an exzitatorischen Synapsen verwendet wird, identifizieren Peter Jonas und Kollegen Synaptotagmin 2 als den wichtigsten Sensor in inhibitorischen GABAergen Interneuronen im Kleinhirn. Sie zeigen, dass Synaptotagmin 2 eine schnellere Ausschüttung von Neurotransmittern auslöst als Synaptotagmin 1. Gleichzeitig bewirkt Synaptotagmin 2 auch ein schnelleres Wiederbefüllen von Vesikeln mit Neurotransmittern. So ist das Neuron schneller wieder bereit, ein erneutes Signal auszuschicken. Das hat wichtige Auswirkungen für die Funktion GABAerger Interneuronen, erklärt Peter Jonas: „Dass GABAerge Synapsen Synaptotagmin 2 verwenden ist ein Grund dafür, dass sie Signale so schnell senden können. Synaptotagmin 2 könnte die Geschwindigkeit der Hemmung in Mikroschaltkreisen kontrollieren, und GABAergen Synapsen ermöglichen, ihren Output zu erhalten, indem es den Pool an Neurotransmittern rasch wieder befüllt.“

 

Illustration: Synaptotagmin 2 ist ein Kalziumsensor im präsynaptischen Neuron. In der Studie verglichen die Autoren Signale in Synapsen, die Synaptotagmin 2 enthalten, mit solchen, in denen sie Synaptotagmin 2 entfernt hatten. Synaptotagmin 2 löst eine schnellere Ausschüttung des Neurotransmitter GABA in die Synapse aus.

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Originalpublikation: 
Chen, Chong et al.: "Synaptotagmin 2 is the fast Ca2+ sensor at a central inhibitory synapse"
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