Competing calcium sensors orchestrate various patterns of synaptic transmission

Im Inneren des Gehirns beruht die Fähigkeit zu denken, zu fühlen und sich zu bewegen auf einem mikroskopischen Gespräch zwischen Nervenzellen. Diese Zellen berühren sich nicht; stattdessen kommunizieren sie über eine winzige Lücke, die Synapse genannt wird. Wenn ein elektrisches Signal das Ende einer Nervenzelle erreicht, löst dies einen Ausbruch von Kalziumionen aus, die die Lücke fluten. Dieses Kalzium wirkt wie ein chemischer Schlüssel, der einen Mechanismus entriegelt, der winzige Bläschen voller Neurotransmitter dazu zwingt, aufzubrechen und ihren Inhalt an die nächste Zelle freizusetzen. Das Timing und die Stärke dieser Freisetzung sind alles entscheidend. Wenn die Nachricht zu langsam oder zu schwach eintrifft, geht das Signal verloren. Wenn sie mit dem falschen Rhythmus eintrifft, scheitern die komplexen Berechnungen des Gehirns. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass Nervenzellen spezifische Proteine verwenden, um dieses Kalzium zu registrieren und die Freisetzung auszulösen, aber die genauen Regeln, die bestimmen, wie diese Proteine zusammenarbeiten, um unterschiedliche Muster der Kommunikation zu erzeugen, blieben ein Rätsel.

Ein Team von Forschern am Okinawa Institute of Science and Technology hat nun ein detailliertes Computermodell gebaut, um dieses Rätsel zu lösen. Sie konzentrierten sich auf zwei spezifische Proteine, Synaptotagmin-1 und Synaptotagmin-7, die als Sensoren für Kalzium fungieren. Obwohl beide Proteine dieselbe grundlegende Aufgabe erfüllen – nämlich das Kalzium zu detektieren und die Tür für die Freisetzung von Neurotransmittern zu öffnen –, verhalten sie sich sehr unterschiedlich. Eines ist schnell und präzise, während das andere langsamer und geduldiger ist. Die Forscher wollten verstehen, wie diese zwei unterschiedlichen Sensoren innerhalb desselben Nervenendes konkurrieren und kooperieren, um die vielfältigen Rhythmen der Gehirnaktivität zu erzeugen. Durch die Simulation der physischen Umgebung eines Nervenendes mit extremer Detailgenauigkeit entdeckten sie, dass das Gleichgewicht zwischen diesen Sensoren nicht nur eine Frage dessen ist, welcher vorhanden ist, sondern wie sie um das verfügbare Kalzium kämpfen und wie andere Moleküle in der Zelle diesen Kampf stören.

Die Forscher konstruierten ein virtuelles Modell eines präsynaptischen Boutons, des kleinen Knöpfchens am Ende einer Nervenzelle, in dem Neurotransmitter gespeichert sind. Dieses Modell war kein einfaches Diagramm, sondern eine komplexe, dreidimensionale Simulation, die hunderte von Vesikeln enthielt, den winzigen Säckchen, die die chemischen Botschaften tragen. Sie programmierten die Simulation mit den spezifischen physikalischen Regeln, die regeln, wie sich Kalzium bewegt, wie es an Proteine bindet und wie diese Proteine dann die Freisetzung der Vesikel auslösen. Sie nahmen die bekannten Eigenschaften von Synaptotagmin-1 auf, das als schneller Sensor fungiert, und fügten eine neue, detaillierte Beschreibung der Funktionsweise von Synaptotagmin-7 hinzu, basierend auf seiner langsameren, beharrlicheren Natur. Sie schlossen auch Calmodulin ein, ein in der Zelle häufig vorkommendes Protein, das an Kalzium bindet und als Schwamm fungiert, der die Ionen aufsaugt, bevor sie die Sensoren erreichen können.

Als sie die Simulation ausführten, offenbarten die Ergebnisse eine klare Arbeitsteilung, die durch die Geschwindigkeit und Stärke der Sensoren getrieben wird. Synaptotamin-1 ist ein schneller Reaktionspartner. Es greift das Kalzium schnell ab und löst die Freisetzung von Neurotransmittern fast augenblicklich nach dem Eintreffen des elektrischen Signals aus. Dies erzeugt eine synchrone Freisetzung, bei der die Nachricht in perfekter Zeit mit dem Nervenimpuls gesendet wird. Synaptotagmin-7 hingegen bindet Kalzium langsamer, hält es aber länger fest. Aufgrund dessen löst es Freisetzungen auch dann noch aus, wenn das ursprüngliche elektrische Signal bereits vorüber ist, was eine asynchrone Freisetzung zur Folge hat, die nachschwingt. Die Simulation zeigte, dass diese beiden Modi keine separaten Systeme sind, sondern das Ergebnis eines direkten Wettbewerbs zwischen den beiden Sensoren um denselben Pool an Kalziumionen.

Ein entscheidender Befund war, dass das Ergebnis dieses Wettbewerbs stark von der Kalziumkonzentration abhängt. Die Forscher fanden einen spezifischen Schwellenwert, etwa 9 bis 10 Mikromolar, der als Schalter fungiert. Unter diesem Niveau gewinnt der langsamere Sensor, Synaptotagmin-7, oft das Rennen um die Bindung des verfügbaren Kalziums, was zu mehr der anhaltenden, asynchronen Freisetzung führt. Oberhalb dieses Niveaus dominiert der schnelle Sensor, Synaptotagmin-1, da er das reichlich vorhandene Kalzium so schnell greifen kann, dass der langsamere Sensor kaum etwas übrig bleibt. Dies erklärt, warum das Entfernen von Synaptotagmin-1 in Experimenten dazu führt, dass Synaptotagmin-7 übernimmt und mehr Neurotransmitter freisetzt; ohne den schnellen Konkurrenten hat der langsamere Sensor freien Zugang zum Kalzium.

Die Studie hob auch die entscheidende Rolle des Kalziumschwamms, Calmodulin, hervor. Dieses Protein ist in hohen Konzentrationen vorhanden und konkurriert mit beiden Sensoren um das Kalzium. Da Calmodulin eine ähnliche Bindungsstärke für Kalzium aufweist wie Synaptotagmin-7, blockiert es den langsameren Sensor nicht so stark. Es ist jedoch wesentlich stärker als Synaptotagmin-1. Folglich blockiert die Anwesenheit von Calmodulin effektiv den schnellen Sensor daran, genug Kalzium zu binden, um eine Freisetzung auszulösen, es sei denn, die Kalziumwerte sind extrem hoch. Das bedeutet, dass die Anwesenheit dieses Schwamms das schnelle, synchrone Signal verstummen lassen kann, während das langsame, asynchrone Signal intakt bleibt. Die Forscher fanden heraus, dass auch die physische Anordnung der Kalziumkanäle eine Rolle spielt. Wenn Kanäle eng beieinander gruppiert sind, erzeugen sie einen lokalen Ausbruch von hohem Kalzium, der den Schwamm überwältigen und den schnellen Sensor arbeiten lassen kann. Wenn die Kanäle weit verstreut sind, ist das Kalzium stärker verdünnt, und der Schwamm gewinnt, was den langsameren Sensor begünstigt.

Vielleicht am überraschendsten war, dass die Simulation zeigte, dass die Gesamtmenge an Kalzium in der Zelle nicht die ganze Geschichte erzählt. Zwei verschiedene Setups könnten exakt die gleiche Menge an freiem Kalzium besitzen und dennoch völlig unterschiedliche Freisetzungsmuster erzeugen. Dies liegt daran, dass das Muster durch die Verteilung des Kalziums unter den Sensoren und dem Schwamm bestimmt wird und nicht allein durch die insgesamt verfügbare Menge. Die Forscher demonstrierten, dass sie durch die Änderung der Anzahl der Synaptotagmin-7-Sensoren im Verhältnis zu Synaptotagmin-1 das Gleichgewicht des Systems verschieben konnten. Als sie die Anzahl der langsameren Sensoren erhöhten, um experimentellen Beobachtungen im Hippocampus zu entsprechen, wurde das System wesentlich empfindlicher gegenüber der Stimulationsfrequenz. Die langsameren Sensoren begannen, Kalzium über eine Serie schneller Signale anzuhäufen, was zu einem Freisetzungsmuster führte, das mit wiederholtem Feuern stärker wurde – ein Verhalten, das als Fazilitation bekannt ist.

Die Arbeit liefert eine einheitliche Erklärung dafür, wie ein einzelnes Nervenende sowohl präzise, im Millisekundenbereich getaktete Signale als auch langsamere, nachschwingende Signale erzeugen kann. Sie legt nahe, dass das Gehirn nicht verschiedene Arten von Synapsen benötigt, um diese unterschiedlichen Rhythmen zu erreichen; stattdessen kann es die Freisetzung abstimmen, indem es das Verhältnis der Sensoren und die lokale Kalziumumgebung anpasst. Das Modell bestätigt, dass das Zusammenspiel zwischen den schnellen und langsamen Sensoren, vermittelt durch den Wettbewerb um Kalzium und die Interferenz durch puffernde Proteine, der Kernmechanismus ist, der die Vielfalt der synaptischen Übertragung antreibt. Durch die Kartierung dieser Interaktionen sind die Forscher über die bloße Beschreibung dessen, was passiert, hinausgegangen und haben erklärt, wie es geschieht, indem sie zeigten, dass das Timing unserer Gedanken und Handlungen in der mikroskopischen Physik des Proteinwettbewerbs verwurzelt ist.