Synaptopodin: Verbindet Aktin und das Endoplasmatische Retikulum in Neuronen

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Netzwerk innerhalb von Zellen, das bei der Herstellung und dem Transport von Proteinen und Lipiden hilft. Es ist in verschiedenen Teilen der Zelle verteilt und besteht aus unterschiedlichen Bereichen mit spezifischen Funktionen. Das gilt besonders für Zellen wie Neuronen, die dafür verantwortlich sind, Signale im Gehirn zu senden.

Ein interessanter Teil des ER in Neuronen wird als Spine-Apparat bezeichnet. Diese Struktur befindet sich in der Nähe der Verbindungen zwischen Nervenzellen, die Synapsen genannt werden. Der Spine-Apparat besteht aus flachen Stapeln von glattem ER, die eng angeordnet und durch ein dichtes Proteinmaterial getrennt sind. Sie sind über schmale Röhren, die entlang des unterstützenden Stiels des Spines verlaufen, mit dem Haupt-ER verbunden.

Eine ähnliche ER-Struktur ist das zisterne Organell, das in den Anfangssegmenten von Axonen (den langen Schwänzen von Neuronen, die Signale transportieren) vorkommt. Allerdings ist noch nicht viel darüber bekannt, was diese Strukturen tatsächlich tun. Einige Forschungen deuten darauf hin, dass der Spine-Apparat dabei helfen könnte, die Stärke der Verbindungen zwischen Neuronen zu verändern, ein Prozess, der für Lernen und Gedächtnis entscheidend ist. Ausserdem wurde vermutet, dass er Calcium speichert, ein wichtiger Bestandteil für viele zelluläre Funktionen, aber die Rolle seiner einzigartigen Form in dieser Funktion ist noch unklar.

Änderungen im Aussehen des Spine-Apparats wurden während langfristiger Veränderungen in den Verbindungen von Neuronen und bei bestimmten Krankheiten festgestellt. Während viele Studien untersucht haben, wie andere ER-Strukturen entstehen, wie grobes ER und glatte Tubuli, sind die spezifischen Prozesse hinter der Bildung des Spine-Apparats und des zisternalen Organells nicht gut verstanden.

#Rolle von Synaptopodin

Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass ein Protein namens Synaptopodin entscheidend für die Bildung des Spine-Apparats und des zisternalen Organells im Gehirn ist. Synaptopodin ist mit Aktin verbunden, einem Protein, das Zellen dabei hilft, ihre Form und Bewegung beizubehalten, was bedeutet, dass es in Bereichen mit viel Aktin innerhalb der dendritischen Spines und der axonal initialen Segmente vorhanden ist.

Um andere Proteine zu finden, die mit Synaptopodin assoziiert sind, verwendeten Forscher eine Methode namens Nähe-Proteomik. Dieser Prozess identifizierte mehrere Proteine, die mit Aktin in Verbindung stehen, was darauf hindeutet, dass Aktin eine wichtige Rolle bei der Bildung des Spine-Apparats spielt.

Die Bildung des Spine-Apparats und des zisternalen Organells umfasst mehrere Schritte. Da Synaptopodin keinen Teil hat, der durch die Membran geht, muss es sich direkt oder indirekt mit dem ER verbinden. Typischerweise hat das ER Tubuli in Dendriten, aber damit diese Strukturen entstehen können, muss sich das ER zu flachen Blättern erweitern, die übereinander gestapelt sind. Die Rolle von Synaptopodin und anderen Proteinen in diesen Schritten bleibt ungewiss.

Diese Studie hatte zum Ziel, diese Fragen zu beantworten. Es wurde festgestellt, dass Synaptopodin und der Spine-Apparat in der Evolution von Fruchtfliegen zu Menschen erhalten geblieben sind. Ein spezifischer Bereich von Synaptopodin ist notwendig, damit es sich mit dem ER verbindet. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Synaptopodin nicht nur hilft, Aktin-Bündel zu bilden, sondern diese Bündel auch mit dem ER verbindet. Als dieses Protein in Zellen exprimiert wurde, zeigte es, dass es die Bildung von Strukturen induzierte, die dem Spine-Apparat ähneln, was darauf hindeutet, dass Synaptopodin und Aktin zusammenarbeiten, um diese Organellen zu bilden.

#Besondere Strukturen in Neuronen

Der Spine-Apparat und das zisternale Organell in Neuronen haben einzigartige Formen und bestehen aus glatten ER-Blättern mit schmalen Räumen dazwischen. Hohe Konzentrationen von Synaptopodin sind in dendritischen Spines und axonalen Segmenten in kultivierten Neuronen zu sehen. Als Forscher diese Synaptopodin-Gruppen mit fortschrittlichen Bildgebungstechniken untersuchten, entdeckten sie, dass die Ansammlungen aus Aktin-Bündeln bestanden, die zwischen ER-Blättern lagen. Das zeigt, dass Synaptopodin nicht nur Unterstützung für die Aktin-Strukturen bietet, sondern sie auch mit dem ER verbindet.

Weitere Untersuchungen an Fibroblasten (einer allgemeinen Zellart) wurden durchgeführt, indem Synaptopodin innerhalb dieser Zellen exprimiert wurde. Es wurde beobachtet, dass Synaptopodin und Aktin in diesen Zellen zusammen vorkamen, ähnlich wie in Neuronen. Einige der Strukturen, die mit Synaptopodin assoziiert sind, erschienen als Stressfasern, und bei der Untersuchung mit Elektronenmikroskopie fanden die Forscher Aktin-Bündel, die zwischen dicht gepackten ER-Blättern eingeklemmt waren.

Als Fibroblasten Bedingungen ausgesetzt wurden, die dazu führten, dass das ER auseinanderbrach, blieben die meisten der synaptopodin-positiven Elemente in Kontakt mit dem ER. Das festigte die Verbindung zwischen Synaptopodin und dem ER und deutete darauf hin, dass es eine Rolle dabei spielt, Aktin mit dem ER zu verknüpfen.

#Aktin-Bindungsstellen von Synaptopodin

Die Struktur von Synaptopodin wurde untersucht, um die spezifischen Bereiche zu identifizieren, die es ihm ermöglichen, an Aktin zu binden und es mit dem ER zu verknüpfen. Die Forscher erstellten verschiedene Versionen von Synaptopodin und fanden heraus, dass bestimmte Bereiche für die Fähigkeit verantwortlich sind, sich mit Aktin zu assoziieren. Selbst als einer der zuvor identifizierten Aktin-Bindungsbereiche entfernt wurde, konnte Synaptopodin immer noch mit Aktin interagieren, was auf mehrere Bindungsstellen innerhalb des Proteins hindeutet.

Weitere Analysen zeigten, dass, als Teile von Synaptopodin gelöscht wurden, sie die Fähigkeit behielten, sich mit Aktin zu verbinden, aber nicht in der Lage waren, die typischen Aktin-Bündel zu bilden, die mit dem ER verbunden sind und für den Spine-Apparat charakteristisch sind. Das deutet darauf hin, dass Synaptopodin zwar Aktin über verschiedene Stellen binden kann, nicht jedoch alle diese Interaktionen zu der spezifischen Struktur führen, die für den Spine-Apparat benötigt wird.

Interessanterweise stellte sich heraus, dass ein spezifischer Bereich von Synaptopodin, der als wichtig für die Verknüpfung des Proteins mit dem ER angesehen wird, Teil eines als Calsarcin-Domäne bekannten Bereichs ist. Diese Domäne ist bekannt dafür, dass sie an Aktin bindet, aber allein Synaptopodin nicht am ER verankert.

Die Calsarcin-Domäne ist sowohl bei Synaptopodin als auch bei einem anderen Protein namens Myozenin ähnlich, das ebenfalls mit anderen Proteinen interagiert. Das deutet darauf hin, dass Synaptopodin eine evolutionäre Verbindung zu diesen Proteinen hat. Darüber hinaus wurden bei anderen Versionen von Synaptopodin ähnliche Eigenschaften festgestellt, was auf die Bedeutung der Calsarcin-Domäne über verschiedene Arten hinweg hinweist.

#Evolutionäre Bedeutung

Um die Rolle von Synaptopodin bei der Bildung des Spine-Apparats weiter zu untersuchen, schauten sich die Forscher dessen Präsenz über die Evolution hinweg an. Es wurde festgestellt, dass eine Version von Synaptopodin in Fruchtfliegen existiert, ein Protein namens CG1674, das funktionale Ähnlichkeiten mit seinem Säugetier-Pendant aufweist. Als CG1674 in Zellen exprimiert wurde, bildete es Aktin-reiche Strukturen, die denen ähneln, die von Synaptopodin gemacht werden.

In bestimmten Neuronen von Fruchtfliegen fanden die Forscher Aktin-reiche Spines, die denen in Wirbeltieren ähnlich waren und Strukturen enthielten, die dem Spine-Apparat ähneln. Diese Ähnlichkeit wirft die Möglichkeit auf, dass Synaptopodin und der Spine-Apparat über die Evolution hinweg erhalten geblieben sind.

#Bildung von Spine-Apparat-ähnlichen Strukturen

Die Ergebnisse aus vorherigen Studien legen nahe, dass Synaptopodin helfen könnte, ER-Elemente durch Aktin zu verbinden. Ein grosser Unterschied zwischen dem Spine-Apparat und den durch Überexpression von Synaptopodin entstandenen Strukturen liegt jedoch in der Dicke der Aktin-Bündel zwischen den ER-Blättern. Um dies anzugehen, haben die Forscher ein Konstrukt erstellt, das Synaptopodin am ER verankert, indem es mit einem anderen Protein namens Sec61β fusioniert wurde. Dieses Setup sollte das Bündeln von Aktin auf Situationen beschränken, in denen es direkt mit dem ER in Kontakt steht.

Als dieses geführte Protein in Zellen exprimiert wurde, führte es zur Bildung von länglichen Strukturen, die dem Spine-Apparat ähneln. Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken fanden die Forscher heraus, dass diese Strukturen aus übereinander gestapelten ER-Blättern mit minimalem Raum zwischen ihnen bestanden, ähnlich wie der Spine-Apparat.

Die einzigartigen Eigenschaften dieser Spine-Apparat-ähnlichen Strukturen deuteten darauf hin, dass sie Einblicke darüber geben könnten, wie spezialisierte ER-Strukturen gebildet werden. Die Präsenz von Aktin und verschiedenen Proteinen, die bekannt dafür sind, Teil des Spine-Apparats zu sein, wies darauf hin, dass die Strukturen Merkmale mit ihren neuronalen Gegenstücken teilen.

#Zusammenfassung der Ergebnisse

Zusammenfassend zeigt die Studie, dass Synaptopodin Aktin bündeln kann, während es dieses sowohl in Neuronen als auch in nicht-neuronalen Zellen mit dem ER verbindet. Ein sehr spezifischer Abschnitt von Synaptopodin ist für diesen Verknüpfungsprozess unerlässlich; jedoch tragen auch zusätzliche Bindungsregionen zu seiner Funktion bei. Indem die Forscher Synaptopodin künstlich am ER in Zellen verankerten, zeigten sie, dass es die Bildung von strukturellen Ähnlichkeiten mit dem Spine-Apparat induzieren konnte.

Diese Spine-Apparat-ähnlichen Strukturen zeigen Merkmale, die denen des tatsächlichen Spine-Apparats ähneln, einschliesslich eines sehr schmalen Lumens und einer dichten Proteinmatrix, die sie verbindet. Wichtig ist, dass diese Ergebnisse betonen, dass der Spine-Apparat und andere spezialisierte ER-Bereiche möglicherweise unterschiedliche Funktionen haben, die auf die Bedürfnisse bestimmter Zelltypen abgestimmt sind.

Die Studie hebt auch eine evolutionäre Verbindung zwischen Synaptopodin in Fruchtfliegen und Menschen hervor, was darauf hindeutet, dass das Auftreten von Aktin-basierten Spines und die Bildung des Spine-Apparats gemeinsam entstanden sind. Diese Beziehung unterstreicht die essenzielle Rolle von Aktin in der Neuronenfunktion und die möglichen Regulationsmechanismen, die innerhalb dieser Strukturen wirken.