Hirnforschung

Gen-Fragmente steuern Hirnentwicklung

Zellen schneidern ein Nervenkostüm: Die bruchstückhafte Abschrift eines Gens lässt Hirnzellen so reifen, dass sie Vernetzungen bilden können, um Erfahrungen zu verarbeiten.

Fehlt einer Nervenzelle die Ube3a1-RNA (rechts), so wachsen vermehrt Dendriten, während sich die Dornenreifung verzögert (vergrößerter Rahmenausschnitt am unteren Bildrand). Das linke Bild zeigt zum Vergleich eine unveränderte Zelle. (Mikroskopische Aufnahme: AG Schratt)

Das berichten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um den Marburger Biochemiker Prof. Dr. Gerhard Schratt vorab in der Online-Ausgabe des Fachblatts „Nature Neuroscience“. Das untersuchte Gen beeinflusst Entwicklungsstörungen wie Autismus.

Die Autoren untersuchten die Produkte eines Gens, das in Hirnzellen aktiv ist: Ube3a. „Wir haben eine Funktion von Ube3a gefunden, die unabhängig von dem Protein ist, dessen Bauplan das Gen enthält“, erklärt Versuchsleiter Gerhard Schratt. Autistische Patienten tragen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit mehr Kopien des Gens als üblich.

Wird ein Gen in ein Protein umgesetzt, so bildet die Zelle zunächst eine Abschrift – als würde man ein Rezept aus einem Kochbuch abschreiben. Die Zelle nutzt dieses sogenannte RNA-Transkript dann als Bauplan für das Protein. In jüngster Zeit sind RNA-Transkripte selbst vermehrt in den Fokus der lebenswissenschaftlichen Forschung gerückt, da sie auch an der Steuerung zellulärer Prozesse beteiligt sind.

Mitverfasser Jeremy Valluy (links) und Prof. Dr. Gerhard Schratt. (Foto: Andrea Ruppel, Pressestelle der Philipps-Universität Marburg)

Die RNA-Transkripte von Ube3a liegen in verschiedenen Versionen vor. Sie kommen dadurch zustande, dass die zelluläre Maschinerie unterschiedliche Abschnitte der RNA zusammenfügt. Das Ergebnis kann die gesamte Bauanleitung des Ube3a-Proteins umfassen (Transkript Ube3a2/3), aber auch verkürzt sein (Ube3a1). Welche Aufgaben die verschiedenen Varianten erfüllen, war bislang unklar.

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Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchten, welche Funktion das verkürzte Ube3a1-Transkript in Hirnzellen hat, die neuronale Schaltkreise bilden. Wie das Team herausfand, kommt Ube3a1 in den Zellfortsätzen vor, die zur Vernetzung dienen, den sogenannten Dendriten. Fehlt die RNA, so kommt es zum ungebremsten Wachstum von Dendriten, außerdem verzögert sich die Reifung der dendritischen Dornen. Dabei handelt es sich um charakteristische Ausstülpungen, an denen die meisten Synapsen enden. Die Folge ist eine gestörte Kommunikation zwischen den Nervenzellen.

„Junge Nervenzellen enthalten nur geringe Mengen der Ube3a1-RNA, im Gegensatz zum Ube3a-Protein; dies erlaubt das Wachstum der Zellfortsätze, während es die vorzeitige Reifung von Dornen verhindert“, erläutert Versuchsleiter Gerhard Schratt die Bedeutung der Befunde. Steigern die Nervenzellen ihre Aktivität, so steigt die Ube3a1-Konzentration, wodurch die Zellen ihre Entwicklung umstellen: vom Dendritenwachstum zur Reifung der Dornen.

„Autistische Patienten weisen häufig Neuronen auf, deren Dendriten und Dornen abgewandelt sind“, erklärt Schratt; „möglicherweise liegt dies daran, dass der Ube3a1-Gehalt in diesen Zellen bereits in der frühen Entwicklung hoch ist, zum Beispiel aufgrund überzähliger Genkopien.“

Gerhard Schratt leitet das Institut für Physiologische Chemie am Fachbereich Medizin der Philipps-Universität. Er koordiniert das Schwerpunktprogramm 1738 der Deutschen Forschungsgemeinschaft zum Thema „Die Rolle von nicht-kodierenden RNAs in der Entwicklung, Plastizität und bei Erkrankungen des Nervensystems“.

Neben Schratts Arbeitsgruppe sind auch Psychologen um Prof. Dr. Rainer Schwarting von der Philipps-Universität sowie Bioinformatiker des Max-Planck-Instituts für Biologie des Alterns in Köln an der aktuellen Publikation beteiligt. Die zugrundeliegende Forschungsarbeit wurde durch die Europäische Union, die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Von Behring-Röntgen-Stiftung sowie das Universitätsklinikum Gießen-Marburg finanziell gefördert.

Originalveröffentlichung:
Jeremy Valluy et al.: A coding-independent function of an alternative Ube3a transcript during neuronal development, Nature Neuroscience, 13. April 2015, DOI: 10.1038/nn.3996.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Gerhard Schratt,
Institut für Physiologische Chemie
E-Mail: gerhard.schratt@Staff.Uni-Marburg.de
Internet: http://www.uni-marburg.de/fb20/physiolchemie

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