Das menschliche Gehirn besitzt über 100 Billionen Synapsen. Diese synaptischen Verbindungen definieren neuronale Schaltkreise und speichern Informationen ein Leben lang. Die wichtigsten Funktionsmoleküle innerhalb der Synapsen, die Proteine, haben jedoch nur eine durchschnittliche Haltbarkeit von einer Woche. Das bedeutet, dass Synapsen ständig alte Proteine abbauen und neue Kopien synthetisieren müssen, um sie zu ersetzen. Die Homöostase der Proteine an den Synapsen ist für alle Aspekte der Gehirnfunktion von grundlegender Bedeutung und ihr Ungleichgewicht führt zu neurologischen Störungen. Die meisten zellulären Proteine des Gehirns werden von einer Multikomponenten-Maschine namens Proteasom abgebaut.
Das Proteasom, die Protein-Müllabfuhr der Zelle, besteht aus zwei Teilen: einem für die Erkennung der Proteine (dem sogenannten 19S-Komplex) und einem für deren Abbau (dem 20S-Komplex). Bisher ging man davon aus, dass der 19S-Komplex nur mit seinem Partner, dem 20S-Komplex, zusammenarbeitet. Eine kürzlich in Science veröffentlichte Studie aus dem Labor von Professor Erin Schuman (ebenfalls Direktorin am Max-Planck-Institut für Hirnforschung) zeigt, dass dies nicht immer der Fall ist. In den entlegenen Regionen des Neurons - den Dendriten, wo die Informationen an den Synapsen von einem Neuron zum anderen übertragen werden - zeigten "Super-Resolution"-Visualisierungsmethoden, dass der 19S-Komplex des Proteasoms viel häufiger vorkommt als der 20S-Komplex und oft allein zu finden ist. Überraschenderweise zeigten funktionelle Studien, dass das freie 19S-Partikel synaptische Proteine reguliert, ohne deren Abbau zu fördern. Es erkennt eine spezielle Gruppe synaptischer Moleküle (z. B. Neurotransmitter-Rezeptoren, auch AMPA-Rezeptoren genannt) und verändert deren Dynamik und Lokalisierung innerhalb der Synapse. Diese Studie offenbart einen faszinierenden und flexiblen Aspekt der Synapsenbiologie, bei dem sich komplexe Proteinmaschinen wahrscheinlich an subzelluläre Bedürfnisse angepasst haben und alternative Funktionen übernehmen.
Max Planck Institut für Hirnforschung
Originalpublikation:
Chao Sun et al.: An abundance of free regulatory (19S) proteasome particles regulates neuronal synapses.Science380,eadf2018(2023).DOI:10.1126/science.adf2018
