Ausreichende Energieversorgung für die Nervenentwicklung entscheidend

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Mikroskopische Messung des ATP-Verbrauchs in zwei verschiedenen Drosophila-Nerve

Mikroskopische Messung des ATP-Verbrauchs in zwei verschiedenen Drosophila-Nervenzellen über die Zeit (von links). Rot symbolisiert eine hohe, grün eine niedrige ATP-Konzentration. © WWU - AG Sebastian Rumpf

Forschungsteam der Universität Münster zeigt für die Taufliege: Mangelernährung verschärft Defekte beim Abbau von Nervenverbindungen

Der Körper von Tieren und Menschen ist durchzogen von einem Netzwerk aus Nervenzellen, die untereinander mit ihren Fortsätzen verknüpft sind. Die Nervenzellen benutzen diese sogenannten Axone und Dendriten zur Kommunikation untereinander. Während der Entwicklung werden zunächst viele Fortsätze ausgebildet. Solche, die nicht benötigt werden, werden zu einem späteren Zeitpunkt jedoch wieder entfernt. Diesen Prozess nennen Experten "Pruning". Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster untersuchte am Beispiel der Taufliege Drosophila melanogaster, ob für diesen Abbau, der bei den Fliegen während der Metamorphose stattfindet, Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) benötigt wird. Die Ergebnisse der Studie wurden nun in der Fachzeitschrift "Cell Reports" veröffentlicht.

Zum Hintergrund: ATP ist die Energiewährung aller lebenden Zellen. Da es so wichtig ist, gibt es viele verschiedene Wege, es herzustellen, zum Beispiel durch den Prozess der Glykolyse aus Glukose oder durch die sogenannte oxidative Phosphorylierung aus verschiedenen Nährstoffen. "Dass wir uns angeschaut haben, ob ATP für das Pruning wichtig ist, hat seinen Hintergrund in den Beobachtungen bei der Taufliege", erklärt Marco Marzano aus der Arbeitsgruppe von Sebastian Rumpf am Institut für Neuround Verhaltensbiologie. "Zum einen findet bei Drosophila das meiste Pruning in der Puppenphase statt, wenn die Tiere keine Nahrung zu sich nehmen und sehr umsichtig mit ihren gespeicherten Ressourcen umgehen müssen. Zum anderen ist es eine grundsätzliche Frage, ob es Energie benötigt, wenn eine biologische Struktur zerfällt."

Marco Marzano beobachtete, dass Nervenzellen ihre Überzähligen Fortsätze nicht mehr ordnungsgemäß abbauen, wenn ein Regulator der Energieversorgung nicht richtig funktioniert. Dieser Faktor, die sogenannte AMP-abhängige Proteinkinase (AMPK), bewahrt Zellen normalerweise davor, zu viel Energie zu verbrauchen. Dr. Erez Raz am Zentrum für Molekularbiologie der Entzündung etablierte Marzano ein Sensorsystem, mit dem er den ATP-Gehalt in den Nervenzellen messen konnte. So zeigte er, dass AMPK vor allem die oxidative Phosphorylierung aktiviert. Eine weitere Zusammenarbeit mit der AG "Medizinische Zellbiologie" von Michael Krahn (Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum Münster) ermöglichte es, die Aktivität von AMPK direkt zu messen. Es stellte sich heraus, dass AMPK durch einen wichtigen Entwicklungsregulator aktiviert wird. "Die Bereitstellung von Energie scheint also besonders wichtig für das Pruning zu sein", stellt Sebastian Rumpf fest. "Ein Grund hierfür könnte sein, dass manche Pruning-Enzyme erst ganz kurz vor dem Prozess hergestellt werden müssen."

Interessanterweise konnte das Team zeigen, dass Mangelernährung die beobachteten Defekte in der Nervenentwicklung noch verschärft. Die Ergebnisse zeigen also wichtige Zusammenhänge zwischen Nervenentwicklung, zellulärem Energiestoffwechsel und der allgemeinen Energieversorgung auf. Aus Studien zu neurodegenerativen Krankheiten war bekannt, dass Nervenzellen verkümmern können, wenn ihr Energiehaushalt gestört ist. Die vorliegende Studie macht deutlich, dass eine ausreichende und genau regulierte Energieversorgung schon für die frühe Nervenentwicklung entscheidend ist - und nicht nur für den Auf-, sondern auch für den Abbau von Nervenfortsätzen.

Für ihre Studien verbanden die Forscher moderne Mikroskopie-Methoden wie zum Beispiel Sensoren, die auf Förster-Resonanzenergie-Transfer (FRET) beruhen, mit molekularer Drosophila-Genetik.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, der Exzellenzcluster "Cells in Motion" und der Sonderforschungsbereich SFB1348 unterstützten die Arbeit finanziell.

Originalveröffentlichung:

Marco Marzano, Svende Herzmann, Leonardo Elsbroek, Erez Raz, Michael P. Krahn, Sebastian Rumpf (2021): AMPK adapts metabolism to developmental energy requirement during dendrite pruning in Drosophila. Cell Reports 37, 7; 110024, November 16, DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110024

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