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Innsbrucker Neurone im Fokus

Eine große Zahl an Kalziumkanälen in unserem Gehirn reguliert die Aufgaben von Nervenzellen und ermöglicht uns das Lernen. ForscherInnen um Dr. Gerald Obermair von der Sektion für Physiologie konnten nun erstmals zeigen, dass diese Vielfalt sogar in einzelnen Zellen besteht und wie das Zusammenspiel unterschiedlicher Kanalteile zum Einbau der Kanäle in Nervenzellen führt. Abbildungen dieser Studien zierten die Titelseiten des Journal of Biological Chemistry und des Journal of Neuroscience.

Kalziumkanäle in Nervenzellen des Gehirns vermitteln wichtige Funktionen, wie die Übertragung synaptischer Signale und die Expression aktivitätsregulierter Gene und tragen damit zur Bildung des Langzeitgedächtnisses bei.

Neue Einblicke in die Vielfalt neuronaler Kalziumkanäle

Die Bedeutung dieser neuronalen Vorgänge spiegelt sich im Vorhandensein einer großen Zahl unterschiedlicher Kalziumkanaluntereinheiten wider. Die Verteilung dieser Proteine im Gehirn ist zum größten Teil seit längerem bekannt. Im Gegensatz dazu ist die Bedeutung dieser Vielfalt an Untereinheiten und wie sich daraus in einzelnen Nervenzellen spezifische Kalziumkanalkomplexe bilden können, bisher wenig erforscht. In drei kürzlich publizierten Forschungsarbeiten konnten Gerald Obermair und KollegInnen aus der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Bernhard Flucher und Gerald Obermair (Sektion für Physiologie) neue Einblicke in diesen scheinbaren Überfluss an Kanalproteinen bieten.

Kalziumkanal Expression Profiling

Neuronale Kalziumkanäle bestehen aus drei Untereinheiten, von denen jeweils mehrere Varianten existieren. Durch unterschiedliche Kombination dieser drei Teile können Kalziumkanäle spezielle Eigenschaften erlangen. Welche Zusammensetzungen davon allerdings in Nervenzellen existieren und ob diese im Laufe der Entwicklung und während neuronaler Aktivität (wie zum Beispiel Lernen) verändert werden ist nicht bekannt. Bettina Schlick, Doktorandin im PhD Programm Molecular Cell Biology und mittlerweile Postdoc in einem renommierten Kalziumkanallabor am University College London, ist dieser Frage mittels quantitativer PCR nachgegangen: „Durch die aufwendige Kombination von absoluter und relativer Quantifizierung konnten wir zum ersten Mal direkt vergleichbare Expressionsprofile aller Kalziumkanaluntereinheiten in verschiedenen Gehirnregionen und in Hippocampuszellen während der postnatalen Entwicklung erstellen. In zukünftigen Untersuchungen können wir nun mögliche Änderungen im Expressionsprofil dieser wichtigen kalziumregulierenden Proteine, verursacht durch zum Beispiel Gehirnerkrankungen oder medikamentöse Behandlungen, untersuchen.“

Kalziumkanal Targeting

Wie das Zusammenwirken dieser Kanaluntereinheiten zur richtigen Lokalisation führt, wurde in einer weiteren Arbeit erforscht. „Von diversen Studien der letzten zwanzig Jahre wussten wir, dass alle Kanaluntereinheiten in künstlichen Zellsystemen miteinander Komplexe bilden können. Sehr wenig untersucht war aber bisher die Frage, welche dieser Untereinheiten in Nervenzellen zusammenwirken“, meint Dr. Obermair und ergänzt: „Erstmals konnten wir nun Komplexe zweier Untereinheiten in Nervenzellen bildlich darstellen und deren Bedeutung für die Verteilung in den Zellen entschlüsseln.“ Diese Ergebnisse zeigen, dass anders als in Muskelzellen, sogenannte beta Untereinheiten den Einbau der Kanalkomplexe in die Zellmembran regulieren. Quasi als Gegenleistung dazu bestimmen die alpha Untereinheiten, welche die kalziumdurchlässigen Poren in der Zellmembran bilden, die genaue Lokalisation der betas. Die mikroskopische Darstellung der Verteilung zweier dieser beta Untereinheiten in einer Hippocampuszelle wurde für das Cover des Journal of Biological Chemistry ausgewählt.

Kalziumkanal Regulation

In einer dritten, im Journal of Neuroscience erschienenen Publikation, war Dr. Obermair gemeinsam mit der Forschungsgruppe von Prof. Amy Lee an der Universität von Iowa (Iowa City, USA) daran beteiligt, einen neuen Regulationsmechanismus für Kalziumkanäle aufzuklären. Mit Hilfe des Adaptorproteins Densin kann die Kalzium-Calmodulin Kinase II (CaMKII) einen sogenannten L-Typ Kanal phosphorylieren und somit synaptische Signale verstärken. Prof. Lee wird zu diesem Thema am 30. April in Innsbruck einen Seminarvortrag halten. Auch von dieser Arbeit wurde eine Abbildung von Gerald Obermair, das fluoreszenzmikroskopische Bild einer Nervenzelle, für das Cover ausgewählt.