Zusammenfassung: V-ATPase, ein lebenswichtiges Enzym, das die Neurotransmission ermöglicht, kann sich zufällig ein- und ausschalten und sogar stundenlange Pausen einlegen.
Quelle: Universität Kopenhagen
In einem neuen Durchbruch, um mehr über das Gehirn von Säugetieren zu verstehen, haben Forscher der Universität Kopenhagen eine unglaubliche Entdeckung gemacht. Ein lebenswichtiges Enzym, das Gehirnsignale ermöglicht, schaltet sich nämlich willkürlich ein und aus und macht sogar stundenlange „Arbeitspausen“.
Diese Erkenntnisse können einen großen Einfluss auf unser Verständnis des Gehirns und die Entwicklung von Arzneimitteln haben.
Heute ist die Entdeckung auf dem Cover von Natur.
Millionen von Neuronen senden sich ständig Nachrichten, um Gedanken und Erinnerungen zu formen und uns unseren Körper nach Belieben bewegen zu lassen. Wenn sich zwei Neuronen treffen, um eine Nachricht auszutauschen, werden mithilfe eines einzigartigen Enzyms Neurotransmitter von einem Neuron zum anderen transportiert.
Dieser Prozess ist entscheidend für die neuronale Kommunikation und das Überleben aller komplexen Organismen. Bisher dachten Forscher weltweit, dass diese Enzyme jederzeit aktiv seien, um ununterbrochen wichtige Signale zu übermitteln. Aber das ist bei weitem nicht der Fall.
Mit einer innovativen Methode haben Forscher des Department of Chemistry der Universität Kopenhagen das Enzym genau untersucht und entdeckt, dass seine Aktivität in zufälligen Intervallen ein- und ausgeschaltet wird, was unserem bisherigen Verständnis widerspricht.
„Dies ist das erste Mal, dass jemand diese Hirnenzyme von Säugetieren Molekül für Molekül untersucht hat, und wir sind von dem Ergebnis beeindruckt. Entgegen der landläufigen Meinung und im Gegensatz zu vielen anderen Proteinen können diese Enzyme für Minuten bis Stunden aufhören zu arbeiten. Dennoch sind die Gehirne von Menschen und anderen Säugetieren auf wundersame Weise in der Lage zu funktionieren“, sagt Professor Dimitrios Stamou, der die Studie vom Zentrum für geometrisch konstruierte zelluläre Systeme an der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen leitete.
Bisher wurden solche Untersuchungen mit sehr stabilen Enzymen aus Bakterien durchgeführt. Mit der neuen Methode untersuchten die Forscher erstmals Enzyme von Säugetieren, die aus Rattengehirnen isoliert wurden.
Heute erscheint die Studie in Natur.
Enzym-Switching kann weitreichende Auswirkungen auf die neuronale Kommunikation haben
Neuronen kommunizieren über Neurotransmitter. Um Nachrichten zwischen zwei Neuronen zu übertragen, werden zunächst Neurotransmitter in kleine Membranbläschen (sogenannte synaptische Vesikel) gepumpt. Die Blasen fungieren als Behälter, die die Neurotransmitter speichern und sie nur dann zwischen den beiden Neuronen freisetzen, wenn es Zeit ist, eine Nachricht zu übermitteln.
Das zentrale Enzym dieser Studie, die sogenannte V-ATPase, ist für die Energieversorgung der Neurotransmitter-Pumpen in diesen Behältern verantwortlich. Ohne sie würden keine Neurotransmitter in die Behälter gepumpt und die Behälter könnten keine Nachrichten zwischen Neuronen übertragen.
Aber die Studie zeigt, dass in jedem Behälter nur ein Enzym vorhanden ist; Wenn dieses Enzym abschaltet, wäre keine Energie mehr vorhanden, um die Ladung von Neurotransmittern in die Behälter zu treiben. Dies ist eine völlig neue und unerwartete Entdeckung.
„Es ist fast unverständlich, dass der äußerst kritische Prozess der Beladung von Neurotransmittern in Containern nur an ein Molekül pro Container delegiert wird. Vor allem, wenn wir feststellen, dass diese Moleküle in 40 % der Fälle ausgeschaltet sind“, sagt Professor Dimitrios Stamou.
Diese Ergebnisse werfen viele spannende Fragen auf:
„Bedeutet das Abschalten der Energiequelle der Behälter, dass viele von ihnen tatsächlich frei von Neurotransmittern sind? Würde ein großer Anteil leerer Behälter die Kommunikation zwischen Neuronen erheblich beeinträchtigen? Wenn ja, wäre das ein „Problem“, zu dessen Umgehung Neuronen entwickelt wurden, oder könnte es möglicherweise eine völlig neue Art sein, wichtige Informationen im Gehirn zu kodieren? Nur die Zeit wird es zeigen“, sagt er.
Eine revolutionäre Methode zum Screening von Medikamenten auf die V-ATPase
Das V-ATPase-Enzym ist ein wichtiges Arzneimittelziel, da es eine entscheidende Rolle bei Krebs, Krebsmetastasen und mehreren anderen lebensbedrohlichen Krankheiten spielt. Somit ist die V-ATPase ein lukratives Ziel für die Entwicklung von Antikrebsmedikamenten.
Existierende Assays zum Screenen von Arzneimitteln auf die V-ATPase basieren auf der gleichzeitigen Mittelung des Signals von Milliarden von Enzymen. Die Kenntnis der durchschnittlichen Wirkung eines Medikaments reicht aus, solange ein Enzym konstant in der Zeit wirkt oder wenn Enzyme in großer Zahl zusammenarbeiten.
„Wir wissen jetzt jedoch, dass beides nicht unbedingt auf die V-ATPase zutrifft. Daher ist es plötzlich wichtig, Methoden zu haben, die das Verhalten einzelner V-ATPasen messen, um die gewünschte Wirkung eines Medikaments zu verstehen und zu optimieren“, sagt der Erstautor des Artikels, Dr. Elefterios Kosmidis, Fachbereich Chemie , Universität Kopenhagen, der Experimente im Labor anführte.
Die hier entwickelte Methode ist die erste überhaupt, die die Wirkung von Medikamenten auf das Protonenpumpen einzelner V-ATPase-Moleküle messen kann. Es kann Ströme erkennen, die mehr als eine Million Mal kleiner sind als die Goldstandard-Patch-Clamp-Methode.
Fakten über das V-ATPase-Enzym:
Siehe auch
- V-ATPasen sind Enzyme, die ATP-Moleküle abbauen, um Protonen durch Zellmembranen zu pumpen.
- Sie kommen in allen Zellen vor und sind für die Kontrolle des pH-Werts/Säuregehalts innerhalb und/oder außerhalb der Zellen unerlässlich.
- In neuronalen Zellen liefert der von V-ATPasen aufgebaute Protonengradient Energie zum Laden von neurochemischen Botenstoffen, den sogenannten Neurotransmittern, in synaptische Vesikel zur anschließenden Freisetzung an synaptischen Verbindungen.
Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung
Autor: Pressebüro
Quelle: Universität Kopenhagen
Kontakt: Pressestelle – Universität Kopenhagen
Bild: Das Bild ist gemeinfrei
Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
„Regulierung der Säugetiergehirn-V-ATPase durch ultralangsames Mode-Switching“ von Dimitrios Stamou et al. Natur
Abstrakt
Regulation der Säugetiergehirn-V-ATPase durch ultralangsame Modusumschaltung
Adenosintriphosphatasen vom vakuolären Typ (V-ATPasen) sind elektrogene rotierende Mechanoenzyme, die strukturell mit ATP-Synthasen vom F-Typ verwandt sind. Sie hydrolysieren ATP, um elektrochemische Protonengradienten für eine Fülle von zellulären Prozessen aufzubauen.
In Neuronen wird das Laden aller Neurotransmitter in synaptische Vesikel durch etwa ein V-ATPase-Molekül pro synaptisches Vesikel angeregt. Um Licht in diesen echten biologischen Einzelmolekülprozess zu bringen, untersuchten wir das elektrogene Protonenpumpen durch einzelne Säugergehirn-V-ATPasen in einzelnen synaptischen Vesikeln.
Hier zeigen wir, dass V-ATPasen zeitlich nicht kontinuierlich pumpen, wie dies durch die Beobachtung der Rotation bakterieller Homologe und die Annahme einer strikten ATP-Protonen-Kopplung nahegelegt wird.
Stattdessen schalten sie stochastisch zwischen drei ultralanglebigen Modi um: Protonenpumpen, inaktiv und Protonenleck. Bemerkenswerterweise zeigte die direkte Beobachtung des Pumpens, dass physiologisch relevante ATP-Konzentrationen die intrinsische Pumprate nicht regulieren.
ATP reguliert die V-ATPase-Aktivität durch die Umschaltwahrscheinlichkeit des Protonenpumpmodus. Im Gegensatz dazu regulieren elektrochemische Protonengradienten die Pumprate und das Umschalten des Pump- und des inaktiven Modus.
Eine direkte Folge des Moduswechsels sind stochastische Alles-oder-Nichts-Fluktuationen im elektrochemischen Gradienten synaptischer Vesikel, von denen zu erwarten wäre, dass sie Stochastik in die protonengesteuerte sekundäre aktive Beladung von Neurotransmittern einführen und somit wichtige Auswirkungen auf die Neurotransmission haben könnten.
Diese Arbeit enthüllt und betont die mechanistische und biologische Bedeutung des ultralangsamen Moduswechsels.