Melanopsine: Gezieltes Farbenspiel im Gehirn

12. April 2016
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Gehirnzellen werden durch den Einsatz von Melanopsinen gezielt angeschaltet. Dabei können sie dauerhaft oder nur kurzzeitig stimuliert werden. Durch die Protein-Kopplung kann zudem gezeigt werden, inwiefern Signalwege an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind.

Bochumer Forscher haben sich lichtsensitive Proteine aus Nervenzellen des Auges – Melanopsine – zunutze gemacht, um damit gezielt und mit hoher zeitlicher Präzision Signalwege in den Zellen des Gehirns anzuschalten. Je nachdem, welches Melanopsin die Wissenschaftler verwendeten, konnten sie die Signalwege kurzzeitig oder dauerhaft aktivieren. Normalerweise reguliert das Protein bei Säugetieren die Tag-Nacht-Rhythmik.

Die Wissenschaftler beschreiben unter anderem, dass die Melanopsine von Mäusen und Menschen unterschiedlich auf Lichtstimulation reagieren. Kurze blaue Lichtpulse aktivieren das Maus-Melanopsin dauerhaft, das menschliche Melanopsin aber nur kurzzeitig. Beide Proteine lassen sich durch gelbes Licht wieder abschalten.

Herstellung lichtaktivierbarer G-Proteine

„Diese lichtsensitiven Proteine eignen sich hervorragend als Grundlage für die Entwicklung von optogenetischen Werkzeugen“, sagt Dennis Eickelbeck vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB). In der Optogenetik koppeln Forscher lichtempfindliche Proteine durch genetische Manipulation an andere Proteine und erzeugen so zum Beispiel Nervenzellrezeptoren, die sich mit Licht steuern lassen.

Auf diese Weise sollen im nächsten Schritt lichtaktivierbare G-Protein-gekoppelte Rezeptoren herstellt werden. Ob ein G-Protein kurzzeitig oder dauerhaft aktiviert wird, entscheidet darüber, welcher Signalweg in der Zelle angeschaltet wird. Wenn sich die zeitlichen Aktivierungsmuster der G-Proteine ändern, kann das schwere Krankheiten zur Folge haben, beispielsweise Adipositas oder Herz-Kreislauf-Störungen.

Koppeln verschiedener Melanopsinen an Serotonin-Rezeptoren

Einzelne Signalwege gezielt mit optogenetischen Methoden steuern zu können, ermöglicht es nicht nur, ihre Rolle für den gesunden Organismus zu ergründen. Forscher könnten so auch herausfinden, wie die Signalwege an der Entstehung bestimmter Krankheiten beteiligt sind.

„In weiteren Studien möchten wir verschiedene Melanopsine an Serotonin-Rezeptoren koppeln und genauer untersuchen, wie Störungen innerhalb des zeitlichen Ablaufs von G-Protein-Signalen zu Erkrankungen führen“, berichtet Katharina Spoida, eine der Erstautoren der Studie.

Originalpublikation:

Melanopsin Variants as Intrinsic Optogenetic On and Off Switches for Transient versus Sustained Activation of G Protein Pathways
Katharina Spoida et al.; Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2016.03.007; 2016

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Kardiologie, Medizin, Neurologie

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