Bewegungen mit Licht steuern

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Nummer 228 - Bochum, 20.07.2011

Bewegungen mit Licht steuern

RUB-Publikation: Rezeptor in Kleinhirnzellen entscheidend für Motorik

Forscher beeinflussen Aktivität von Nervenzellen über Laserdiode

Die Aktivität bestimmter Nervenzellen über Licht zu steuern und somit die Bewegungen von Mäusen zu beeinflussen, ist Forschern der Ruhr-Universität gelungen. Indem sie spezielle Rezeptoren in Nervenzellen des Kleinhirns so veränderten, dass sie durch Licht an- und abgeschaltet werden konnten, zeigten die Forscher, dass die Signalwege, die die Rezeptoren anschalten, eine entscheidende Rolle für die Bewegungskontrolle spielen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden beeinflussen die Forscher mit der sogenannten Optogenetik gezielt einen Zelltyp. „Wir werden dieses Verfahren jetzt nutzen um herauszufinden, was genau bei Bewegungsstörungen wie Ataxien in den Nervenzellen nicht stimmt“, so Prof. Dr. Stefan Herlitze (RUB-Fakultät für Biologie und Biotechnologie). Die Forscher berichten im Journal of Biological Chemistry.

Beiträge zum Aktivitätsmuster der Zellen aufklären

Das Bochumer Team untersuchte einen speziellen Signalweg, der von einem sogenannten G-Protein-gekoppelten Rezeptor kontrolliert wird. Dieser Signalweg ist für die Modulation der Aktivität in komplexen Nervenzellnetzwerken wichtig. Störungen der Funktion können sich z.B. auf das emotionale und auf das Bewegungsverhalten auswirken. „Wir wissen, dass das Aktivitätsmuster der Purkinje-Zellen im Kleinhirn entscheidend für die Koordination von Bewegungsabläufen ist“, erklärt Herlitze. „Unklar ist jedoch, welchen Beitrag einzelne Rezeptoren leisten.“ In herkömmlichen Studien nutzen Forscher Medikamente, die bestimmte Proteine in Nervenzellen hemmen oder erregen, um den Beitrag dieser Proteine zur Aktivität der Zellen zu untersuchen. Herlitzes Team interessierte sich jedoch für ein Protein (G-Protein-gekoppelter Rezeptor), das in verschiedenen Zelltypen vorkommt. Hätten die Forscher ein Medikament appliziert, hätten sie nicht nur den Rezeptor in den Purkinje-Zellen ausgeschaltet, sondern in allen Zelltypen, in denen er vorkommt. Die Medikamentenmethode macht es daher unmöglich, den Beitrag des Rezeptors in den Purkinje-Zellen isoliert zu betrachten.

Optogenetik: Medikamente durch Licht ersetzen

Um diesem Problem zu entgehen, tauschte Herlitzes Team die Medikamente gegen Proteine aus, die durch Licht aktiviert werden. Mit genetischen Methoden bauten die Forscher Rhodopsin, das lichtsensitive Protein des Auges, in die Purkinje-Zellen von Mäusen ein. Außerdem implantierten sie eine Lasersonde in das Kleinhirn, mit der sie das Rhodopsin beleuchteten. Das lichtaktivierte Rhodopsin schaltete dann den G-Protein-gekoppelten Rezeptor in den Purkinje-Zellen an, während die gleichen Rezeptoren in anderen Zelltypen inaktiv blieben. Der RUB-Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie war maßgeblich daran beteiligt, diese Methode weltweit zu etablieren.

Untersuchter Rezeptor ist für Bewegungssteuerung entscheidend

Die Forscher fanden heraus, dass eine Aktivierung des G-Protein-gekoppelten Rezeptors das Aktivitätsmuster der Purkinje-Zellen veränderte. Gerade mal 20 Sekunden musste Herlitzes Team das Rhodopsin belichten, um diese Effekte zu erzielen. Eine Reduktion der Zellaktivität um 20 bis 30 Prozent war ausreichend, um sichtbare motorische Defizite im Verhalten der Mäuse auszulösen, etwa Gleichgewichtsstörungen oder Koordinationsprobleme. „Wir konnten so zum ersten Mal zeigen, dass die Modulation eines speziellen G-Protein-gekoppelten Rezeptors in den Purkinje-Zellen eine entscheidende Bedeutung für die Bewegungskontrolle und -koordination hat“, resümiert Herlitze.

Titelaufnahme

Gutierrez, D.V., Mark, M.D., Masseck, O., Maejima, T., Kuckelsberg, D., Hyde, R.A., Krause, M., Kruse, W., Herlitze, S. Optogenetic control of motor coordination by Gi/o protein-coupled vertebrate rhodopsin in cerebellar Purkinje cells. J. Biol. Chem., doi: 10.1074/jbc.M111.25367 (2011)

Redaktion

Dr. Julia Weiler
Pressestelle RUB

Weitere Informationen

Prof. Dr. Stefan Herlitze, Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel.: 02334/32-24363
stefan.herlitze@rub.de

 

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