Ursache für Hirnerkrankung

Neuer genetischer Krankheitsmechanismus

„Timing ist alles“ bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen im Gehirn. Die allermeisten komplexen Leistungen, zu denen Menschen imstande sind, wären schwer beeinträchtigt, wenn ihre Nervenzellen nicht in der Lage wären, auf die tausendstel Sekunde genau miteinander zu kommunizieren.

Eine fluoreszierende Nervenzelle (grün) in einer Zellkultur. An den rosa gefärbten Synapsen kommuniziert die Zelle mit ihren Partnern. (© MPI f. experimentelle Medizin)

Zwischenmenschliche Kommunikation, Lernvorgänge, das Fokussieren unserer Aufmerksamkeit, die schnelle Verarbeitung von Sinnesreizen, ja selbst die korrekte Ausführung von Bewegungen wären nicht mehr möglich. Die israelische Wissenschaftlerin Noa Lipstein-Thoms vom Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin in Göttingen hat nun einen neuen genetischen Krankheitsmechanismus entdeckt, der die Stärke und zeitliche Präzision von Nervenzellsignalen beeinflusst und zu Störungen von Bewegungsabläufen, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS) und Autismus führt.

Lipstein-Thoms untersucht die grundlegenden Mechanismen der Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Dieser Prozess findet an so genannten Synapsen statt, an denen eine sendende Nervenzelle auf einen elektrischen Reiz hin einen chemischen Botenstoff ausschüttet, der von der empfangenden Nervenzelle erkannt und wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dass dieser biologisch hoch komplexe Signalübertragungsprozess mit der nötigen Millisekunden-Präzision abläuft, wird von einer Reihe regulatorischer Proteine gewährleistet, die die Botenstoff-Ausschüttung an Synapsen kontrollieren, darunter auch ein Protein mit dem kryptischen Namen Munc13-1.

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„Unsere genetischen Arbeiten an Mäusen haben gezeigt, dass Munc13-1 für die Signalübertragung an Synapsen unverzichtbar ist", erklärt Lipstein-Thoms. „Wenn es fehlt, ist das Gehirn nicht funktionsfähig, weil die Botenstoff-Ausschüttung an Synapsen blockiert ist. Die betroffene Maus stirbt." Selbst minimale Veränderungen am Munc13-1-Protein hätten oft katastrophale Konsequenzen, weil die zeitliche Präzision der synaptischen Signale verloren gehe.

Auf Grund dieser fundamentalen Bedeutung ist Munc13-1 bisher ausschließlich für die Grundlagenforscher unter den Neurowissenschaftlern interessant gewesen. „Krankheiten, die durch eine Fehlfunktion von Munc13-1 verursacht sein könnten, waren nicht bekannt", sagt Lipstein-Thoms. „Meine Kollegen und ich haben auch nicht damit gerechnet, dass das Protein bei einer Erkrankung eine Rolle spielen könnte, denn selbst kleine Störungen der Funktion von Munc13-1 haben solch schwer wiegende Konsequenzen. Wir haben lange Zeit vermutet, dass ein Defekt von Munc13-1 zwangsläufig zum Tod eines Organismus führt."

Munc13-1-Mutation Ursache psychischer Störungen

Diese Sichtweise hat sich durch eine neue Studie Lipstein-Thoms' dramatisch verändert. Zusammen mit dem Göttinger Neurobiologen Nils Brose und Psychiatern, Neurologen und Genetikern der Universität Utrecht in den Niederlanden beschreibt Lipstein-Thoms einen Patienten mit einem durch Mutation veränderten Munc13-1-Protein. Der Patient, der derzeit sieben Jahre alt ist und in Utrecht untersucht und behandelt wird, leidet unter einer untypischen Kombination von gestörten Bewegungsabläufen, ADHS und Autismus.

Lipstein-Thoms' niederländische Kollegen haben die Munc13-1-Mutation bei einer eingehenden genetischen Untersuchung des Patienten entdeckt. Sie gehen davon aus, dass diese Mutation aller Wahrscheinlichkeit nach für das besondere Krankheitsbild verantwortlich ist. „Das ist der erste Fall einer Munc13-1-Mutation, die an einer Erkrankung beteiligt ist. Aber meine Kollegen konnten nicht erklären, warum diese Mutation krank macht. Das ist aber die Voraussetzung dafür, dass sie eine Therapie entwickeln können."

Genveränderung lässt Synapsen schnell ermüden

„Hier kamen wir ins Spiel", sagt Nils Brose, der Lipstein-Thoms schon als Doktorandin betreut hat und seit zehn Jahren mit ihr zusammenarbeitet. „Wir haben hier am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin ein riesiges Repertoire an Methoden, Reagenzien und Tiermodellen entwickelt, um Munc13-Proteine und die mit ihnen verknüpften Synapsenfunktionen sehr genau zu analysieren. Dadurch wissen wir sehr viel über diese Proteine." Lipstein-Thoms konnte so nachweisen, dass die in dem Patienten entdeckte Munc13-1-Mutation zunächst zu einer unerwarteten Verstärkung der synaptischen Signalübertragung führt, die betroffenen Synapsen jedoch bei fortdauernder und besonders bei starker und hochfrequenter Aktivität viel schneller ermüden als normale Synapsen.

„Die Veränderungen der Übertragungseigenschaften an den Synapsen sind zwar eher klein, aber sie können das komplexe Krankheitsbild in dem betroffenen Patienten erklären", beschreibt Lipstein-Thoms den Stand ihrer Erkenntnisse. Synapsen sind bereits jetzt schon das Ziel vieler Medikamente im Bereich der Neurologie und Psychiatrie. „Wir wissen, welcher Prozess in den Synapsen des Patienten gestört ist, und könnten sogar versuchen, die von uns beschriebene Überfunktion der Synapsen mit bereits zugelassenen Medikamenten zu korrigieren", erklärt Lipstein-Thoms. „Das wäre dann ein wunderbares Beispiel dafür, dass Grundlagenforschung für die medizinische Anwendung essentiell ist."

Originalpublikation:

Lipstein, N., Verhoeven-Duif, N.M., Michelassi, F.E., Calloway, N., van Hasselt, P.M., Pienkowska, K., van Haaften, G., van Haelst, M.M., van Empelen, R., Cuppen, I., van Teeseling, H.C., Evelein, A.M.V., Vorstman, J.A., Thoms, S., Jahn, O., Duran, K.J., Monroe, G.R., Ryan, T.A., Taschenberger, H., Dittman, J.S., Rhee, J.-S., Visser, G., Jans, J.J. und Brose, N.: Synaptic UNC13A protein variant causes increased synaptic transmission and dyskinetic movement disorder. Journal of Clinical Investigation; 16 February, 2017.

Ansprechpartner:

Dr. Noa LipsteinMax-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
E-Mail: lipstein@em.mpg.de

Prof. Dr. Nils Brose
Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
E-Mail: brose@em.mpg.de

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