Zusammenfassung: V-ATPase, ein lebenswichtiges Enzym, das die Neurotransmission ermöglicht, kann sich auch bei langen Pausen zufällig ein- und ausschalten.

Quelle: Universität Kopenhagen

In einem neuen Durchbruch, um mehr über das Gehirn von Säugetieren zu verstehen, haben Forscher der Universität Kopenhagen eine verblüffende Entdeckung gemacht. Das lebenswichtige Enzym, das Gehirnsignale ermöglicht, schaltet sich nämlich willkürlich ein und aus und macht sogar stundenlange „Arbeitspausen“.

Diese Ergebnisse können einen erheblichen Einfluss auf unser Verständnis des Gehirns und die Entwicklung von Medikamenten haben.

Heute ist Discovery auf dem Cover Natur.

Millionen von Neuronen senden sich ständig Nachrichten, um Gedanken und Erinnerungen zu bilden und uns unseren Körper nach Belieben bewegen zu lassen. Wenn sich zwei Neuronen treffen, um eine Nachricht auszutauschen, werden mithilfe eines einzigartigen Enzyms Neurotransmitter von einem Neuron zum nächsten übertragen.

Dieser Prozess ist für die neuronale Kommunikation und das Überleben aller komplexen Organismen unerlässlich. Bisher glaubten Forscher auf der ganzen Welt, dass diese Enzyme jederzeit aktiv seien, um ununterbrochen wichtige Signale zu übertragen. Aber das ist bei weitem nicht der Fall.

Mit einer innovativen Methode haben Forscher des Department of Chemistry der Universität Kopenhagen das Enzym genau untersucht und entdeckt, dass seine Aktivität in zufälligen Intervallen ein- und ausgeschaltet wird, was unserem bisherigen Verständnis widerspricht.

Dies ist das erste Mal, dass jemand Gehirnenzyme von Säugetieren Molekül für Molekül untersucht hat, und wir sind von dem Ergebnis überwältigt. Entgegen der landläufigen Meinung und im Gegensatz zu vielen anderen Proteinen können diese Enzyme für Minuten bis Stunden inaktiv sein. Die Gehirne von Menschen und anderen Säugetieren sind jedoch auf wundersame Weise in der Lage zu funktionieren“, sagt Professor Demetrius Stamo, der die Studie vom Center for Engineered Cellular Systems an der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen leitete.

Bisher wurden solche Studien mit sehr stabilen Enzymen aus Bakterien durchgeführt. Mit der neuen Methode untersuchten die Forscher erstmals Enzyme von Säugetieren, die aus dem Gehirn von Mäusen isoliert wurden.

Heute wurde die Studie in veröffentlicht Natur.

Der enzymatische Schalter kann weitreichende Auswirkungen auf die neuronale Kommunikation haben

Nervenzellen kommunizieren über Neurotransmitter. Um Nachrichten zwischen zwei Neuronen zu übertragen, werden zunächst Neurotransmitter in kleine Membranbläschen (sogenannte synaptische Vesikel) gepumpt. Die Blase fungiert als Behälter, der Neurotransmitter speichert und sie nur dann zwischen den beiden Neuronen freisetzt, wenn es an der Zeit ist, die Nachricht zu übermitteln.

Das zentrale Enzym dieser Studie, bekannt als V-ATPase, ist dafür verantwortlich, Energie für die Neurotransmitter-Pumpen in diesen Behältern bereitzustellen. Ohne sie würden keine Neurotransmitter in die Behälter gepumpt und die Behälter könnten keine Nachrichten zwischen Neuronen übertragen.

Aber die Studie zeigt, dass es in jedem Gefäß nur ein Enzym gibt. Wenn dieses Enzym stoppt, ist keine Energie mehr vorhanden, um die Ladung von Neurotransmittern in die Behälter zu treiben. Dies ist eine völlig neue und unerwartete Entdeckung.

„Es ist fast unverständlich, dass der sehr kritische Prozess des Ladens von Neurotransmittern in Behälter an nur ein Molekül pro Behälter delegiert wird. Vor allem, wenn wir feststellen, dass diese Moleküle in 40 % der Fälle nicht mehr funktionieren“, sagt Professor Dimitrios Stamo.

Diese Ergebnisse werfen viele interessante Fragen auf:

Bedeutet das Abschalten der Energiezufuhr zu den Containern, dass viele von ihnen bereits frei von Neurotransmittern sind? Wird ein großer Teil leerer Container die Kommunikation zwischen Neuronen erheblich beeinflussen? Wenn ja, wäre dies ein „Problem“, das Neuronen entwickelt haben, um es zu umgehen, oder könnte es eine völlig neue Art sein, wichtige Informationen im Gehirn zu kodieren? Nur die Zeit kann es verraten.“

Eine revolutionäre Methode zum Screening von Medikamenten auf V-ATPase

Das V-ATPase-Enzym ist ein wichtiges Arzneimittelziel, da es eine wichtige Rolle bei Krebs, Krebsmetastasen und vielen anderen lebensbedrohlichen Krankheiten spielt. Somit ist V-ATPase ein profitables Ziel für die Entwicklung von Antikrebsmedikamenten.

Gegenwärtige Assays zum Screenen von Arzneimitteln auf V-ATPase beruhen auf der gleichzeitigen Mittelung des Signals von Milliarden von Enzymen. Es reicht aus, die durchschnittliche Wirkung eines Medikaments zu kennen, solange das Enzym konstant zur richtigen Zeit wirkt oder wenn die Enzyme in großer Zahl zusammenarbeiten.

„Allerdings wissen wir jetzt, dass beides nicht unbedingt für die V-ATPase gilt.“ Daher ist es plötzlich wichtig geworden, dass wir Möglichkeiten haben, das Verhalten einzelner V-ATPasen zu messen, um die gewünschte Wirkung zu verstehen und zu optimieren Medikament“, sagt der Erstautor des Artikels, Dr.

Die hier entwickelte Methode ist die erste überhaupt, die die Wirkung von Medikamenten auf das Protonenpumpen einzelner V-ATPase-Moleküle messen kann. Es kann Ströme erkennen, die millionenfach kleiner sind als die Goldstandard-Patch-Clip-Methode.

Fakten über V-ATPase:

Siehe auch

• V-ATPasen sind Enzyme, die ATP-Moleküle abbauen, um Protonen durch Zellmembranen zu pumpen.
• Es kommt in allen Zellen vor und ist für die Kontrolle des pH-Werts/Säuregehalts innerhalb und/oder außerhalb der Zellen unerlässlich.
• In Neuronen liefert der von V-ATPasen erzeugte Protonengradient Energie für das Laden von neurochemischen Botenstoffen, sogenannten Neurotransmittern, in synaptische Vesikel für deren anschließende Freisetzung in synaptische Verbindungen.

Über diese Neuroscience Research News

Autor: Pressebüro
Quelle: Universität Kopenhagen
Kontakt: Pressestelle – Universität Kopenhagen
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„Regulation der V-ATPase im Gehirn von Säugetieren durch Umschalten des UV-ModusVon Demetrius Stamo et al. Natur

Zusammenfassung

Regulation der V-ATPase im Gehirn von Säugetieren durch Umschalten des UV-Modus

Adenosintriphosphatenzyme vom vakuolären Typ (V-ATPasen) sind elektromechanisch zirkulierende Enzyme, die strukturell mit ATP-Synthasen vom F-Typ verwandt sind.Sie hydrolysieren ATP, um elektrochemische Protonengradienten für eine Vielzahl von zellulären Prozessen zu erzeugen.

In Neuronen wird das Laden aller Neurotransmitter in synaptische Vesikel durch etwa ein V-ATPase-Molekül pro synaptisches Vesikel aktiviert. Um Licht in diesen echten biologischen Einzelmolekülprozess zu bringen, untersuchten wir das elektrostatische Protonenpumpen durch V-ATPASE-Basen aus dem Gehirn von Säugetieren in einzelnen synaptischen Vesikeln.

Hier zeigen wir, dass V-ATPasen zeitlich nicht kontinuierlich pumpen, wie dies durch die Beobachtung des Umsatzes bakterieller Homologe und die Annahme einer strikten ATP-Protonen-Kopplung nahegelegt wird.

Stattdessen wechselten sie zufällig zwischen drei langlebigen Modi: Protonenpumpen, Inaktivität und Protonenleck. Bemerkenswerterweise zeigte die direkte Überwachung des Pumpens, dass physiologisch relevante ATP-Konzentrationen die Geschwindigkeit des endogenen Pumpens nicht regulieren.

ATP reguliert die V-ATPase-Aktivität durch mögliches Umschalten des Protonenpumpenmodus. Im Gegensatz dazu regulieren elektrochemische Gradienten von Protonen die Pumprate und schalten zwischen gepumptem und inaktivem Modus um.

Eine direkte Folge des Moduswechsels sind die zufälligen Alles-oder-Nichts-Schwankungen im elektrochemischen Gradienten synaptischer Vesikel, von denen zu erwarten wäre, dass sie Zufälligkeit in die sekundäre protonengesteuerte aktive Beladung von Neurotransmittern einführen und somit wichtige Auswirkungen auf die Neurotransmission haben könnten.

Diese Arbeit enthüllt und unterstreicht die mechanistische und biologische Bedeutung der UV-Modusumschaltung.