Neues optogenetisches Werkzeug

G-Protein-gekoppelte Signalwege gezielt an- und abschalten

Blau an, gelb aus: Mit Licht unterschiedlicher Farbe können Forscher Signalwege im Gehirn an- und abschalten.

Dennis Eickelbeck und Katharina Spoida entwickeln optogenetische Werkzeuge an der Ruhr-Universität Bochum. (© RUB, Kramer)

Bochumer Forscher haben sich lichtsensitive Proteine aus Nervenzellen des Auges - sogenannte Melanopsine - zunutze gemacht, um damit gezielt und mit hoher zeitlicher Präzision Signalwege in den Zellen des Gehirns anzuschalten. Je nachdem welches Melanopsin die Wissenschaftler verwendeten, konnten sie die Signalwege kurzzeitig oder dauerhaft aktivieren. Normalerweise reguliert das Protein bei Säugetieren die Tag-Nacht-Rhythmik.

Ihre Ergebnisse berichten Dr. Katharina Spoida, Dennis Eickelbeck, Prof. Dr. Stefan Herlitze und Dr. Olivia Masseck vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB) gemeinsam mit weiteren Bochumer Kollegen sowie Forschern der Universität Osnabrück in der Zeitschrift „Current Biology".

Vergleich: Melanopsin von Maus und Mensch
Die Wissenschaftler beschreiben unter anderem, dass die Melanopsine von Mäusen und Menschen unterschiedlich auf Lichtstimulation reagieren. Kurze blaue Lichtpulse aktivieren das Maus-Melanopsin dauerhaft, das menschliche Melanopsin aber nur kurzzeitig. Beide Proteine lassen sich durch gelbes Licht wieder abschalten.

Die Melanopsine von Mensch und Maus reagieren unterschiedliche auf kurze blaue Lichtpulse. (© RUB, Kramer)

„Diese lichtsensitiven Proteine eignen sich hervorragend als Grundlage für die Entwicklung von optogenetischen Werkzeugen", sagt Dennis Eickelbeck. In der Optogenetik koppeln Forscher lichtempfindliche Proteine durch genetische Manipulation an andere Proteine und erzeugen so zum Beispiel Nervenzellrezeptoren, die sich mit Licht steuern lassen.

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G-Protein-Signalwege entschlüsseln
Auf diese Weise möchten die RUB-Forscher im nächsten Schritt lichtaktivierbare G-Protein-gekoppelte Rezeptoren herstellen. Diese regulieren eine Vielzahl von Funktionen im Körper. Ob ein G-Protein kurzzeitig oder dauerhaft aktiviert wird, entscheidet darüber, welcher Signalweg in der Zelle angeschaltet wird. Wenn sich die zeitlichen Aktivierungsmuster der G-Proteine ändern, kann das schwere Krankheiten zur Folge haben, beispielsweise Adipositas oder Herz-Kreislauf-Störungen.

Einblick in das komplexe Serotoninsystem
Einzelne Signalwege gezielt mit optogenetischen Methoden steuern zu können, ermöglicht es nicht nur, ihre Rolle für den gesunden Organismus zu ergründen. Forscher können so auch herausfinden, wie die Signalwege an der Entstehung bestimmter Krankheiten beteiligt sind.

„In weiteren Studien möchten wir verschiedene Melanopsine an Serotonin-Rezeptoren koppeln und genauer untersuchen, wie Störungen innerhalb des zeitlichen Ablaufs von G-Protein-Signalen zu Erkrankungen führen", berichtet Katharina Spoida, die gemeinsam mit Dennis Eickelbeck federführend bei der aktuellen Studie war.

Originalveröffentlichung:
Spoida et al. (2016): Melanopsin variants as intrinsic optogenetic on and off switches for transient versus sustained activation of G Protein pathways, Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2016.03.007.

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