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Neurobiologie
Naturwissenschaften
NEUROrubin 2003
Räume der Begegnung:
Wo Nervenbahnen
entstehen, wachsen
und sich verändern
A. Faissner
Wie der Schlussstein eines
Gewölbes bildet ein sechsarmiges Molekül den Dreh- und
Angelpunkt im extrazellulären Raum zwischen den Nervenzellen. Mit „stop- and goSignalen“ beschleunigt es das
Wachstum, baut Barrieren
oder steuert Wanderungsprozesse. Ließe sich der molekulare Alleskönner medizinisch
nutzen, dann könnten durchtrennte Nervenzellen wieder
wachsen oder Stammzellen
gezielt entwickelt werden.
D
as Nervensystem der Säuger be
steht aus einer unvorstellbar großen Zahl von Nervenzellen (Neuronen),
die über vielfältige Verbindungen miteinander verknüpft und in eine strukturierte Umgebung von Stützzellen (Gliazellen) eingebettet sind. Beim Menschen rechnet man mit 10 12-13 Neuronen, 10 15-16 Synapsen (Verschaltungen)
und 10 13-14 Gliazellen. Damit überstei-
Prof. Dr. Andreas Faissner, Zellmorphologie und molekulare Neurobiologie,
Fakultät für Biologie
gen die Zellen des Nervensystems die
auf 30 000 bis 40 000 geschätzte Zahl
humaner Gene um das zehn Milliardenfache.
Wie wird ein solches System höchster Komplexität durch eine vergleichsweise beschränkte Zahl von Genen gesteuert, so dass es entstehen, sich selbst
organisieren, stabilisieren und sich
während der Lebenszeit eines Organismus verändern kann? Diese Frage auf
der Ebene der Einzelzelle und der
neuronalen Netze zu klären, ist heute
das zentrale Thema der Entwicklungsneurobiologie. Ausgangspunkt für die
Entstehung des Nervensystems ist eine
Vielzahl undifferenzierter neuraler Vorläuferzellen, die sich in genau festgelegten Entwicklungsphasen bilden und
zu neuroanatomischen Subsystemen
ordnen.
Zwei Grundprinzipien ermöglichen
diese bemerkenswerte Leistung, die
heute zahlreiche wissenschaftliche Projekte weltweit durchdringen und miteinander verzahnen: Integration durch
Interaktion. Die Wechselwirkungen gehen von Signalen während der frühen
Embryonalentwicklung aus, die die
Vorläuferzellen für bestimmte Entwick-
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Abb. 2:
Die sternförmigen Astrozyten sind im
Gewebeschnitt angefärbt.
lungsbahnen programmieren. Wenn Nerven- und Stützzellen ihre Plätze eingenommen und ihre jeweiligen Merkmale
ausgebildet haben, steuern spezielle
Moleküle das weitere Geschehen: Sie
ermöglichen erst, dass sich Nervenzellen erkennen oder in der jeweiligen
Umgebung zurecht finden können. Besonders kritisch sind diese Moleküle
bei der Ausbildung von Nervenzellververbindungen - den sog. Axonen (Abb.
3). Darin unterscheidet sich das Nervensystem von jedem anderen Gewebe
des Körpers.
Nervenzellen werden in dichter
Packung von Gliazellen umgeben.
Diese sternförmigen Gebilde, sog.
Astrocyten (s. Abb. 2), übertreffen die
Zahl der Neuronen um das zehnfache
und übernehmen wichtige Funktionen
im Zentralnervensystem. Sie kontrollieren z.B. die extrazelluläre Konzentration von Salzen oder den gerichteten
Transport von Stoffen aus den Blutgefäßen des Nervensystems zur Nervenzelle. Sie spielen eine Schlüsselrolle
bei der Entstehung des Zentralnervensystems (ZNS): So bilden sie Leitschienen, auf denen Nervenzellen wie
kleine Züge in ihre Zielgebiete ziehen.
Sie lenken die beweglichen, aktiv wandernden Wachstumskegel der Axone (s.
Abb. 4) an den vorgesehenen Platz, indem sie das Richtungswachstum unterstützen oder vorübergehend durch
Gewebebarrieren blockieren (Abb. 5).
Vermutlich tragen Astrocyten auf diese
Weise dazu bei, dass sich Muster und
Strukturen im ZNS stabilisieren.
Wie aber regulieren die Astrocyten
diese Entwicklung des Nervensystems?
Sie bilden sog. astrogliale Makromoleküle, die das Verhalten der axonalen
Wachstumskegel beeinflussen. Unsere
Untersuchungen zeigen, dass ganze Familien dieser Makromoleküle in den
Raum zwischen den Zellen (extrazellulärer Raum) abgegeben werden, der
während der Phase der Gewebsorganisation noch bis zu 30 Prozent des ge-
Abb. 3:
Typische Nervenzelle des Zentralnervensystems von Säugern. Die Zelle ist
polarisiert: Die Dendriten (oben)
nehmen Informationen auf, die zunächst über das Axon und dann an
den Synapsen zur nächsten Zelle weitergeleitet werden.
Abb. 4:
Der Wachstumskegel: Im der videomikroskopischen Zeitraffer-Aufnahme
wächst das Axon an der Spitze des
Wachstumskegels mit ca. 50 µm pro
Stunde. Der Wachstumskegel erkundet
die Umgebung und trifft Richtungsentscheidungen.
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samten Volumens des Zentralnervensystems ausmacht. Bisher ist wenig darüber bekannt, wie dieser Raum strukturiert wird. Für andere Gewebe außerhalb des Nervensystems konnte nachgewiesen werden, dass spezialisierte
makromolekulare Systeme darin eine
Schlüsselrolle einnehmen. Die in den
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extrazellulären Räumen des Nervensystems vorhandenen Makromoleküle lassen ebenfalls eine solche Bedeutung
vermuten.
Zunächst haben wir herausgefunden, dass einzelne Makromoleküle, wie
z. B. das Tenascin-C (lat. tenere: halten, nascere: geboren werden), das
Der therapeutische Ansatz:
Mobile Organelle im Visier
Das Axon besitzt an seinem
wachsenden Ende eine mobile Organelle, den Wachstumskegel, der aktiv
die Gewebeumgebung durchstreift,
Steuerungssignale abliest und umsetzt
(s. Abb. 4). Dazu bedient sich der
Wachstumskegel spezialisierter Rezeptoren, die komplementäre Signale
erkennen. Das können lokale, z.B. an
Zelloberflächen oder den Zellumgebungsraum gebundene oder über
Entfernungen wirkende Signale sein.
Ihre Wirkung betreffend unterscheidet man anziehende, wachstumsfördernde von hemmenden Signalen. Hemmende Signale bewirken den
Kollaps des Wachstumskegels, ein
spektakuläres Phänomen, das sich
auch in der Kulturschale nachvollziehen lässt. Sowohl für die Stoffkategorien als auch für die Wirkungsmechanismen sind mehrere
Genfamilien gefunden worden, die
bis zu 50 verschiedene Gene mit
ähnlichen Wirkungen umfassen. Diese schließen mehrere Familien sog.
Zelladhäsionsmoleküle ein sowie spezielle Signalmoleküle, die Semaphorine. Die Umsetzung der Signale
in gerichtetes Wachstum erfolgt im
Wachstumskegel, die entsprechenden
Signalverarbeitungswege werden derzeit weltweit erforscht. Ein Fernziel
besteht darin, die Signalprozesse zu
definieren und pharmakologisch so
zu beeinflussen, dass der Wachst
u
m
s
kegel in Regenerationssituationen
Hindernisse überwinden kann.
info
Wachstumsverhalten der Axone beeinflussen. Dabei scheint Tenascin-C sehr
ambivalente Funktionen zu vermitteln,
denn in bestimmten Situationen fungiert es als Barriere oder Grenzmolekül
im Nervengewebe, in anderen beschleunigt es als homogenes Wachstumssubstrat das Wachstumsverhalten
von Axonen erheblich. Schließlich aktiviert Tenascin-C auch die Zellbindung und steuert Wanderungsprozesse.
Bei multifunktionalen Molekülen
sind häufig strukturelle Einheiten
(Kassetten) des Moleküls für einzelne
Funktionen verantwortlich. Es gelang
uns tatsächlich, diesen verschiedenen
Kassetten oder Modulen des TenascinC hemmende („stop!“) und stimulierende („go!“) Signale für das Wachstum
der Axone zuzuschreiben (s. Abb.6 a,
b). Diese Beobachtungen legen nahe,
dass Nervenzellen über spezialisierte
Rezeptoren auf die unterschiedlichen
Bereiche des Makromoleküls reagieren.
Unsere Hypothese bestätigte sich: Das
„go“-Signal für axonales Wachstum
wird durch das Neuron mit Hilfe eines
spezialisierten Adhäsionsproteins (Contactin) vom Tenascin-C abgelesen und
umgesetzt. Hierbei dient Contactin als
eine Art Fühler, der die Wachstumsgeschwindigkeit des Wachstumskegels
über interne Signalumsteuerungsprozesse reguliert (Schema, Abb. 7).
Wir werden nun die Sequenz der
Aminosäuren, d.h. die Bausteine der
Eiweiße bestimmen, aufgrund derer
sich die beteiligten Proteine von
Tenascin-C und Nervenzelle erkennen.
Damit wird es auch möglich werden,
die Sequenz für das „go!“-Signal zu
isolieren und in gereinigter und konzentrierter Form in künstliche Transportvehikel einzubauen. Ziel ist es,
diese das Wachstum stimulierenden
Bereiche gezielt in die Nähe verletzter
Nerven zu bringen, um dort im
Wachstumskegel den Regenerationsprozess in Gang zu setzen. Dieser Weg ist
schon deshalb sinnvoll, weil das „go!“Signal in einem Abschnitt (Kassette)
des Tenascin-C lokalisiert wurde, der
nicht in allen seinen molekularen Varianten vorkommt.
Abb. 5:
„Grenzen“ im Gewebe: Die Aufsicht
auf den somatosensorischen Kortex
zeigt, dass Tenascin-C in diskreten,
„grenzartigen“ Verläufen auftreten
kann. Diese sog. „Boundaries“ sind
transient, im erwachsenen ZNS wird
Tenascin-C nur in Spuren freigesetzt.
Die umgrenzten Felder haben einen
Durchmesser von 0,2-0,3 mm .
Abb. 6:
„Go“-Signale für das Axon
Eine embryonale Nervenzelle bildet
auf einem Tenascin-C-Substrat innerhalb von 24 Stunden ein beachtliches
Axon (oben: „go-Signal“). Auf dem
neutralen Kontrollsubstrat ist das
Wachstum vergleichsweise
bescheiden (unten).
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handen. Bei Verletzungen
oder krankhaften Prozessen tritt es dann plötzlich
wieder auf, z.B. in Hirntumoren. Auch das könnte
ein Anzeichen dafür sein,
dass
Tenascin-C
in
Regenerationsprozesse
des Nervensystems einbezogen ist. Interessante
Perspektiven für die Prognose oder Diagnostik eröffnen sich, wenn es gelänge, das Auftreten bestimmter Varianten des
Makromoleküls im Blut
bestimmten Erkrankungen zuzuordnen.
Bis heute gelten durchtrennte
Nervenverbindungen als nicht wieder
herstellbar, wie z.B. im Falle von
Querschnittlähmungen. Wenngleich
Nervenzellen das Potenzial besitzen,
unterbrochene Verbindungen wieder
aufzubauen, verhindern dies Barrieren,
die sich den Wachstumskegeln in den
Weg stellen (Abb. 10). Solche Hindernisse für die Regeneration bilden
Astrozyten, die in der Umgebung von
Wunden die sog. astrogliale Narbe aufbauen. Tenascin-C kommt in diesen
Narben in hoher Konzentration vor und
scheint die Bildung von Barrieren zu
unterstützen, wie Experimente an
Mikroläsionen nahe legen (Abb. 11).
Hier könnte die integrative Funktion
des Tenascin-C bei der Organisation
übergeordneter Matrixstrukturen dazu
Abb. 7:
Fühler für Tenascin-C:
Das Tenascin-C-Hexamer reagiert mit zellulären Rezeptoren. Diese
steuern durch Signalübertragung das Verhalten des Wachstumskegels.
schaften unterschiedlicher Gebiete des
Strukturkassetten, die für die StiNervensystems durch bestimmte Varimulation des Wachstums entscheidend
anten des Makromoleküls festgelegt
sind, unterliegen einem speziellen
werden. Auch das Wachstum der Axone
Verarbeitungsprozess – dem sog. alterkönnte bevorzugt durch einzelne Varinativen Spleißen. Dabei werden quasi
anten gesteuert werden, wie wir für
aus der Blaupause für das Eiweiß beTenascin-C in der Kulturschale belegen
stimmte Stücke herausgeschnitten bzw.
konnten.
ausgetauscht, bevor der Bauplan durch
Tenascin-C besteht aus sechs Undie Boten-RNA im Zellplasma in Eitereinheiten, die sich zu einer sechsweiße umgesetzt wird. Auf diese Weise
armigen Gestalt verbinden (Abb. 9).
wird immer gerade die Serie funktioDamit könnte Tenascin-C ein Integraneller Kassetten des Tenascin-C bereit
tor des extrazellulären Raumes sein,
gestellt, die zum jeweiligen Zeitpunkt
der mit Bestandteilen in diesem Raum
benötigt wird. Wenn jede dieser Kassowie mit Rezeptoren auf den Zellsetten frei austauschbar wäre, ergäbe
oberflächen in Verbindung steht. Das
sich eine Gesamtzahl möglicher KomMolekül bildet dann wie der Schlussbinationen von 2 n (n: Zahl alternativ
stein eines Gewölbes den Dreh- und
gespleißter Kassetten). Im Tenascin-C
Angelpunkt der Matrixarchitektur. Es
der Maus finden wir sechs Kassetten,
wird während der Entwicklung verfür den Menschen wurden neun bemehrt gebildet, dagegen ist es später
schrieben. Damit sind bei der Maus
im Gewebe so gut wie nicht mehr vortheoretisch 64 Kombinationen möglich und 512 beim
Menschen. Im Nervensystem
der Maus haben wir mehr als
dreißig
Varianten
des
Tenascin-C zu bestimmten
Abb. 8:
Zeitpunkten der Entwicklung
Kombinatorik der Kassetnachgewiesen (s. Abb. 8).
ten: Tenascin-C besteht aus
Die Kombinationen kommen
Strukturmodulen. Die gelb
mit unterschiedlicher Häuhervorgehobenen
Kassetten
figkeit vor, was dafür
können
in
verschiedenen
spricht, dass ihr Entstehen
Kombinationen auftreten,
gezielt reguliert wird.
sodass eine Vielfalt von VaDiese Variabilität des
rianten ausgehend von eiTenascin-C eröffnet interesnem Gen gebildet
sante Perspektiven. So ist
werden kann.
vorstellbar, dass die Eigen-
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Abb. 9:
Molekulare Tentakel: Tenascin-C-Monomere lagern sich zu Hexameren mit der typischen, sechsarmigen Gestalt zusammen, die mit dem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden können.
(Durchmesser: etwa 140 nm).
beitragen, eine undurchdringliche extrazelluläre Struktur aufzubauen, die intaktes Gewebe gegen Wundregionen abgrenzt. Eine sinnvolle Funktion verkehrt
sich in ein Regenerationshindernis.
Wenn wir die Bauprinzipien der Barrieren entschlüsseln, könnte das zu Strategien führen, mit denen sich die Matrixarchitektur destabilisieren lässt. Eine Regeneration könnte dann möglich
sein. Dabei ist entscheidend, ob wir
Varianten des Tenascin-C finden, die
Kassetten mit speziellen „stop“-Signalen für das Axonwachstum aufweisen.
Schließlich zeichnet sich ausgehend von Tenascin-C in jüngster Zeit
eine aufregende Perspektive ab. Das
Makromolekül tritt verstärkt in jenen
Regionen des Nervensystems auf, in
denen sich Zellen aktiv vermehren.
Dort findet man während der Entwicklung neurale Stammzellen, die auch in
bestimmten Gebieten des ausgewachsenen Nervensystems gebildet werden.
Diese sog. subventrikuläre Zone ist
ebenfalls mit Tenascin-C angereichert.
Wir haben daraufhin ein Projekt in Angriff genommen, das die Rolle der
extrazellulären Matrix für die Stammzellentwicklung und -Differenzierung
klären soll. Es stellt sich die Frage, ob
Tenascin-C als Integrator dieser Matrix-Architekturen vielleicht auch ein
geeignetes Milieu gestalten kann, indem sich bevorzugt Stammzellen bilden und reifen.
Dabei ist von besonderem Interesse, welche Signale das Makromolekül
an die Stammzellen weitergibt und wie
diese im Zuge ihrer Differenzierung
umgesetzt werden. So scheint Tenascin-C die Stammzellpopulation, ihre
Vermehrung und ihre Sensitivität für
bestimmte Wachstumsfaktoren zu regulieren. Ob diese Mechanismen in erster
Linie das Wachstum oder den natürlichen Zelltod der Stammzellen betreffen, ist Gegenstand weiterer Forschungen. Doch es ist bereits erkennbar, dass
Tenascin-C die Entwicklung von Vorläuferzellen für die Myelinbildung
zwar fördert – deren Einwanderung in
bestimmte Territorien aber verhindern
kann. Das Myelin bildet die Umhüllung der Nervenfasern, die sog. Myelinscheide, die z.B. bei der Multiplen
Sklerose zerstört ist. Auch hier zeigt
sich wieder die Ambivalenz dieses Makromoleküls, die bei einem therapeutischen Einsatz ein sehr gezieltes Vorgehen voraussetzen würde.
Der neurale Extrazellulärraum kann
damit nicht mehr als ein gestaltloser,
mit Flüssigkeiten und Salzen angefüllter Hohlraum gelten, sondern ist ein
Abb. 11:
„Stop“-Signale für Axone: Explantate des Spinalganglions bilden auf
„günstiger“ Extrazellulärmatrix ein
reichhaltiges Geflecht von Axonen
(oben). Die Zugabe eines Inhibitors
unterdrückt das Wachstum der Axone
nahezu vollständig (unten). Die Arbeitsgruppe charakterisiert Inhibitoren, die vermutlich die Regeneration
des ZNS nach Läsion verhindern.
The role of TN-C for development
and regeneration of the nervous system
Abb. 10:
Bringt man Tenascin-C in Streifen von
50 µm Breite auf ein Kultursubstrat auf
(rot gefärbt) und gibt Kleinhirnexplantate (gelbe Färbung) dazu, dann
bevorzugen die Axone das Alternativsubstrat - es bilden sich „Grenzen“.
durch spezialisierte Moleküle hochstrukturiertes Mikromilieu. Dieses Milieu könnte entscheidende Prozesse bei
der Bildung, Umbildung und der Regeneration des Nervensystems beherbergen. Unser Ziel ist es, die unsichtbaren
und höchst dynamischen Strukturen
molekular aufzuklären und abzubilden.
Glycoproteins and proteoglycans of
the extracellular matrix mediate astrocyte functions during central nervous
system formation. Tenascin-C glycoproteins (TN-C) are transiently expressed by astroglia during CNS development and occur in a large number
of isoforms due to combinatorial rearrangement of fibronectin-type-III
domains. Distinct modules of TN-C
contain binding sites for various
receptors and are involved in neuron
binding, neuron migration and neurite
outgrowth and guidance. The roles of
TN-C for development, regeneration
and the biology of neural stem cells
are being discussed.
abstract
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