Molekulares Navigationssystem für das Nervenwachstum

Unser Muskelspiel ist ein komplexer Vorgang, bei dem zunächst Nervenimpulse, die im Gehirn oder Rückenmark (bewußt oder unbewußt) erzeugt werden, über zahlreiche Verschaltungen zu einer definierten motorischen Nervenzelle (Motoneuron) im Rückenmark übertragen werden. Zweitens wird dieser Impuls über einen langen Fortsatz jener Nervenzelle (Axon) an den Erfolgsmuskel übertragen, bei dem dann in einem dritten Schritt der elektrische Impuls über eine biochemische Reaktionskaskade eine Kontraktion (Verkürzung) der Muskelfasern auslöst. Ein erstaunliches Szenario, das als weiteres Beispiel für ein System irreduzibler Komplexität stehen dürfte.

Wie findet aber die wachsende Nervenfaser während der Embryonalentwicklung den richtigen Muskel? Denn nur die richtige Zuordnung von Nerv und Muskel erlaubt später eine koordinierte Bewegung. Um den zukünftigen Zielmuskel, der weit entfernt liegen kann, zu erreichen, braucht es daher spezielle Lenkungsfaktoren (Signalfaktoren), welche die embryonalen Axone zum Wachstum in eine bestimmte Richtung drängen. Solche Faktoren werden bereitgestellt durch die Zellen, welche während der Wanderschaft der Axone „am Weg“ liegen, entweder in Form besonderer Marker auf deren Zelloberflächen oder durch Stoffe, die von ihnen in die Umgebung abgesondert werden. Die auswachsenden embryonalen Axone besitzen Empfangsantennen, sogenannte Rezeptoren, die solche Faktoren, von denen bereits zahlreiche Typen bekannt sind, erkennen. Signalfaktoren können anziehend oder abstoßend wirken.

In experimentellen Studien beschäftigten sich Forscher um Rüdiger Klein vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie und Wissenschaftler von den Universitäten von Michigan und Marseille mit dem Signalfaktor GDNF (engl. glial cell line-derived neurotrophic factor) und dessen Rezeptor ret. Über dieses Signalpaar war bisher nur bekannt, daß es Motoneurone am Leben erhält und das Auswachsen ihrer Axone bewirkt. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, daß das GDNF/ret-System in der Nervenzelle eine weitere Funktion erfüllt. Es leitet auch den Weg der embryonalen Axone zum richtigen Muskelgewebe. Am Beispiel der Entwicklung einer motorischen Nervenbahn, die im Hinterbein der Maus den Strecker- und Beugermuskel steuert, wiesen sie nach, daß der Teil der Nervenbahn, der den Beugermuskel versorgt, verstärkt den Rezeptor ret bildet. Diese Axone wanderten in die Bereiche des Beines, in denen die Forscher besonders viel von dem Faktor GDNF fanden, das also in einer zeitlich abgestimmten Weise von den umgebenden Zellen zur Verfügung gestellt wird. Schalteten die Wissenschaftler das GDNF/ ret-System genetisch aus, so wanderten die Axone in die falsche Richtung. Da die Muskeln nun in der weiteren Entwicklung neurologisch falsch verschaltet wurden, konnte sich die geborene Maus nicht koordiniert bewegen.

Frühere Versuche der Forscher zeigten bereits die analoge Wirksamkeit eines anderen Signal-Rezeptor-Systems (Ephrin/eph-System). Interessanterweise funktionieren Ephrin/eph und GDNF/ ret jedoch unabhängig voneinander – das heißt, die Signalfaktoren eines Systems werden auch gebildet, wenn das andere blockiert ist. Aber ein funktionierendes Signal-Rezeptor-System allein reicht nicht aus, daß sich die Fortsätze der Nervenzellen richtig orientieren, beide müssen parallel wirksam sein.

Neben dem Erstaunen über die Genialität wirft dieses biochemische Navigationssystem Fragen zu dessen evolutionärer Entstehung auf. Warum und wie schuf die Natur gleich zwei Signalwege mit gleicher Funktion im Verlauf der Evolution? Nur gemeinsam in Aktion macht ihre Existenz Sinn, ihre Entstehung muß aber unabhängig voneinander durch zufällige Veränderungen ihrer codierenden Gene auf unterschiedlichen Chromosomen verstanden werden. Welche Selektionsdrücke halfen, dieses genetisch getrennt gelegene und regulierte System zu erhalten, funktionell zu verknüpfen und zu perfektionieren? Fragen, auf die es auch für Rüdiger Klein nicht einmal hoffnungsvolle Spekulationen, geschweige denn solide Antworten gibt. „Wir sind erst ganz am Anfang, die einzelnen feinen Mechanismen zu verstehen, die dafür sorgen, daß unser Bewegungsapparat so perfekt mit Nervenzellen verbunden und gesteuert wird. Da das menschliche Nervensystem auf den gleichen Signalsystemen basiert, könnte diese Studie auch helfen, seine Entwicklung besser zu verstehen.“

HU

[Kramer E, Knott L, Su F, Dessaud E, Krull CE, Helmbacher F & Klein R (2006) Cooperation between GDNF/Ret and ephrinA/EphA4 Signals for Motor-Axon Pathway Selection in the Limb. Neuron 50, 35-47; http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/831113]