For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ent­decken außer­ge­wöhn­li­che Rege­ne­ra­ti­on von Ner­ven­zel­len

Dr. Alexander Hecker und Prof. Dr. Stefan Schuster, Lehrstuhl für Tierphysiologie an der Universität Bayreuth. Foto: Christian Wißler.

Dr. Alex­an­der Hecker und Prof. Dr. Ste­fan Schu­ster, Lehr­stuhl für Tier­phy­sio­lo­gie an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Foto: Chri­sti­an Wiß­ler.

Bio­lo­gen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben im zen­tra­len Ner­ven­sy­stem von Zebra­fi­schen eine ein­zig­ar­tig schnel­le Rege­ne­ra­ti­on ver­letz­ter Ner­ven­zel­len und ihrer Funk­ti­on ent­deckt. Es han­delt sich um die für das Flucht­ver­hal­ten der Fische allein­zu­stän­di­gen Mauth­ner­zel­len, die in der For­schung bis­her als nicht rege­ne­ra­ti­ons­fä­hig gal­ten. Aller­dings hängt ihre Rege­ne­ra­ti­ons­fä­hig­keit ent­schei­dend vom Ort der Ver­let­zung ab. In den zen­tra­len Ner­ven­sy­ste­men ande­rer Tier­ar­ten konn­te eine der­art umfas­sen­de Rege­ne­ra­ti­on von Ner­ven­zel­len bis­her nicht zwei­fels­frei nach­ge­wie­sen wer­den. In der Zeit­schrift „Com­mu­ni­ca­ti­ons bio­lo­gy“ berich­ten die Wis­sen­schaft­ler über ihre Erkennt­nis­se.

Mauth­ner­zel­len sind die größ­ten Zel­len, die in tie­ri­schen Gehir­nen vor­kom­men. Sie sind Teil des zen­tra­len Ner­ven­sy­stems der mei­sten Fisch- und Amphi­bi­en­ar­ten und lösen lebens­ret­ten­de Flucht­re­ak­tio­nen aus, wenn sich Fress­fein­de nähern. Die unge­stör­te Wei­ter­lei­tung von Signa­len in den Mauth­ner­zel­len ist nur dann gewähr­lei­stet, wenn ein bestimm­ter Teil die­ser Zel­len, das Axon, intakt ist. Das Axon ist eine lang gestreck­te Struk­tur, die vom Gehirn bis zum Schwanz ver­läuft und an einem ihrer bei­den Enden an den im Gehirn lie­gen­den Zell­kör­per grenzt. Tritt die Ver­let­zung des Axons in unmit­tel­ba­rer Umge­bung des Zell­kör­pers auf, stirbt die Mauth­ner­zel­le ab. Wird das Axon an sei­nem ent­ge­gen­ge­setz­ten Ende geschä­digt, wer­den ver­lo­ren­ge­gan­ge­ne Funk­tio­nen ent­we­der über­haupt nicht oder nur lang­sam und mit Ein­schrän­kun­gen wie­der­her­stellt. Auf eine Ver­let­zung in der Mit­te des Axons reagiert die Mauth­ner­zel­le jedoch mit einer schnel­len und voll­stän­di­gen Selbst­hei­lung: Bereits inner­halb einer Woche nach der Ver­let­zung sind das Axon und sei­ne Funk­ti­on voll wie­der­her­ge­stellt, und die Fische kön­nen sich wie­der durch Flucht­re­fle­xe vor her­an­na­hen­den Fress­fein­den in Sicher­heit brin­gen.

„Eine der­art schnel­le Rege­ne­ra­ti­on einer Ner­ven­zel­le ist bis­her nir­gend­wo im zen­tra­len Ner­ven­sy­stem ande­rer Tier­ar­ten ent­deckt wor­den. Hier erstrecken sich Rege­ne­ra­ti­ons­pro­zes­se in der Regel über meh­re­re Wochen oder Mona­te“, sagt Dr. Alex­an­der Hecker, Erst­au­tor der neu­en Stu­die und Mit­ar­bei­ter am Lehr­stuhl für Tier­phy­sio­lo­gie. Die­ser Befund wider­legt ein­deu­tig die in der Fach­welt weit­hin eta­blier­te Auf­fas­sung, Mauth­ner­zel­len sei­en völ­lig unfä­hig, sich zu rege­ne­rie­ren.

Allein aus der Beob­ach­tung, dass Flucht­re­fle­xe der Zebra­fi­sche bereits kur­ze Zeit nach einer Ver­let­zung des Axons wie­der intakt sind, lässt sich aller­dings nicht zwei­fels­frei ablei­ten, dass die Mauth­ner­zel­len ihre ursprüng­li­che Funk­ti­on durch Rege­ne­ra­ti­on wie­der­erlan­gen. Denn es könn­te ja sein, dass ande­re Zel­len der Zebra­fi­sche fähig sind, die­ses lebens­ret­ten­de Flucht­ver­hal­ten aus­zu­lö­sen und somit die ver­lo­re­nen­ge­gan­ge­ne Funk­ti­on der Mauth­ner­zel­len zu erset­zen. Genau die­se Mög­lich­keit ist aber auf­grund von For­schungs­er­geb­nis­sen aus­ge­schlos­sen, wel­che die Bay­reu­ther Bio­lo­gen um Prof. Dr. Ste­fan Schu­ster im Janu­ar 2020 in den PNAS ver­öf­fent­licht haben. Dar­in konn­ten sie erst­mals zei­gen, dass es allein die Mauth­ner­zel­len sind, die das Flucht­ver­hal­ten der Zebra­fi­sche steu­ern. Ist das Axon unwie­der­bring­lich zer­stört, fin­den sich kei­ne ande­ren Zel­len in den Fischen, die den Ver­lust kom­pen­sie­ren könn­ten.

„Die Mauth­ner­zel­len bie­ten uns jetzt die Mög­lich­keit, inner­halb des glei­chen Ner­ven­sy­stems sehr unter­schied­li­che Reak­tio­nen auf Ver­let­zun­gen ein­zel­ner Zel­len zu unter­su­chen: aus­blei­ben­de oder nur unzu­rei­chen­de Rege­ne­ra­ti­ons­pro­zes­se einer­seits, eine robu­ste und voll­stän­di­ge Rege­ne­ra­ti­on ande­rer­seits. Erstaun­li­cher­wei­se sind Ver­let­zun­gen des Axons, die auf so gegen­sätz­li­che Wei­se beant­wor­tet wer­den, räum­lich nicht weit von­ein­an­der ent­fernt. Die Ursa­chen dafür auf­zu­klä­ren, ist ein span­nen­des For­schungs­feld, das auch die Iden­ti­fi­ka­ti­on der Gene ein­schließt, die bei der Rege­ne­ra­ti­on von Ner­ven­zel­len aktiv sind. Und wenn wir her­aus­fin­den, aus wel­chen Grün­den Rege­ne­ra­ti­ons­pro­zes­se in den Mauth­ner­zel­len aus­blei­ben, kön­nen wir mög­li­cher­wei­se auch bes­ser ver­ste­hen, wel­che Mecha­nis­men die Rege­ne­ra­ti­on von Ner­ven­zel­len im Men­schen ver­hin­dern“, erklärt Hecker.

Ver­öf­fent­li­chun­gen:

Alex­an­der Hecker, Pame­la Anger, Phil­ipp N. Braa­ker, Wolf­ram Schul­ze, Ste­fan Schu­ster: High-reso­lu­ti­on map­ping of inju­ry-site depen­dent func­tio­n­al reco­very in a sin­gle axon in zebra­fi­sh. Com­mu­ni-cati­ons Bio­lo­gy (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-020‑1034‑x

Alex­an­der Hecker, Wolf­ram Schul­ze, Jakob Oster, David O. Rich­ter, and Ste­fan Schu­ster: Remo­ving a sin­gle neu­ron in a ver­te­bra­te brain fore­ver abolishes an essen­ti­al beha­vi­or. PNAS – Pro­ce­e­dings of the Natio­nal Aca­de­my of Sci­en­ces of the United Sta­tes of Ame­ri­ca (2020). DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​7​3​/​p​n​a​s​.​1​9​1​8​5​7​8​117

For­schungs­för­de­rung:

Die For­schungs­ar­bei­ten wur­den von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) im Rah­men eines Rein­hart Kosel­leck-Pro­jekts unter­stützt.