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Wie finden Nervenzellausläufer den richtigen Weg?

Unser Nervensystem ist ein präzises Netzwerk aus mehr als hundert Milliarden Nervenzellen. Verschiedene grundlegende Mechanismen, welche den Weg der Nervenzellausläufer (Axone) bestimmen, wurden bereits entdeckt. Diese Mechanismen werden hier am Beispiel von Nervenzellen aufgezeigt, die für den Informationsaustausch zwischen der rechten und linken Körperhälfte verantworlich sind.
|Sie freuen sich auf ein erfrischendes Bad und eilen barfuss über den Rasen Richtung See. Plötzlich treten Sie auf einen Glassplitter. Blitzschnell ziehen Sie Ihren Fuss zurück und stehen bereits auf dem anderen Bein. Dies noch bevor Ihnen klar geworden ist, was eigentlich geschehen ist. Wie ist das möglich? Warum «weiss» das andere Bein, dass es einspringen muss?

Durch das Auftreten auf den Glassplitter werden Sinnesnervenzellen aktiviert, die ein Schmerzsignal ins Rückenmark senden. Dort wird das Signal an bewegungssteuernde Nervenzellen weitergeleitet, wodurch im betroffenen Bein der Beugemuskel aktiviert und gleichzeitig der Streckmuskel gehemmt wird. Beim anderen Bein geschieht genau das Gegenteil: Der Beugemuskel wird gehemmt und der Streckmuskel aktiviert.
Allein schon dieser einfache Reflex einer aufeinander abgestimmten Bewegung beider Beine verdeutlicht, dass ein Informationsaustausch zwischen der rechten und linken Körperhälfte stattfinden muss. Für diese Koordination sind spezielle Nervenzellen verantwortlich. Sie haben den Zellkörper auf der einen Körperhälfte und senden ein Axon auf die andere Hälfte aus. So sind die beiden Körperhälften miteinander verbunden, und der Informationsaustausch ist gewährleistet.
In Anbetracht der Ausgangslage, dass die meisten Lebewesen bezüglich ihrer Längsmittelebene symmetrisch gebaut sind, ist es in der Entwicklungsneurobiologie von grösstem Interesse zu verstehen, wie Überkreuzungen von Nerven zustande kommen. Solche sich im Rückenmark kreuzende Nerven dienen als Modellsystem in der Beantwortung der Frage, wie Axone ihren Weg finden: Ihr richtiger Weg ist klar definiert, und falsche Wege sind leicht erkennbar (Abb. 1).
Positive und negative Einflüsse
Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper und einem oder mehreren Fortsätzen, die bis zu einem Meter lang sein können. Wenn also eine Nervenzelle ihren Zellkörper auf der rechten Körperhälfte und das Axon sein Ziel auf der linken Körperhälfte hat, dann ist diese einzelne Nervenzelle während der Entwicklung des Nervensystems mit verschiedenen Problemen konfrontiert.
Wie weiss das auswachsende Axon, welchen Weg es zu wählen hat? Was treibt/zieht ein Axon zur Mitte? Wie weiss das Axon dann unmittelbar vor oder nach der Mitte, ob es jetzt schon über die Mitte gewachsen ist oder nicht? Denn allein aufgrund der vorher erwähnten Symmetrie muss man annehmen, dass beide Seiten identisch sind. Warum kehrt das Axon nach dem Kreuzen nicht wieder um und wächst zurück Richtung Mitte?
In den letzten zwanzig Jahren wurden verschiedene Faktoren entdeckt und untersucht, die den Weg von Axonen beeinflussen. Lange konzentrierte man sich nur auf den Einfluss positiver Faktoren, doch wurde in neuerer Zeit auch die Wichtigkeit von negativen Faktoren erkannt.
Sowohl bei den positiven wie auch bei den negativen Faktoren gibt es solche, die über direkten Kontakt wirken (Kurzdistanz-Wegweisermoleküle). Andere werden von Zielzellen abgesondert und wirken über längere Distanz, indem sie einen Gradienten ausbilden (Langdistanz-Wegweisermoleküle, Abb. 2). Bei der Wahl des Weges eines Axons wirken diese verschiedenen Faktoren oft gemeinsam. Dies führte zur Einsicht, dass ein Axon seinen Weg aufgrund der Integration von positiven und negativen Einflüssen findet.
Bei den kreuzenden Nervenzellen im Rückenmark spielen solche Faktoren für die korrekte Wegwahl eine entscheidende Rolle.
Wegweisermoleküle
Die Axone kreuzen die Körperachse durch die Bodenplatte, die aus einem Streifen von Zellen besteht (Abb. 1). Von den Bodenplattenzellen wird ein Protein an die Umgebung abgegeben, wodurch ein Konzentrationsgradient innerhalb des Rückenmarks entsteht.
Bei diesem Protein handelt es sich um ein positives Langdistanz-Wegweisermolekül, das von einem Oberflächenrezeptor auf den Axonen erkannt wird. Daraus resultiert ein Wachstumssignal, und die Axone werden Richtung Bodenplatte «gelockt». Axone, die später von der gleichen Seite in Richtung Bodenplatte wachsen, folgen früheren Axonen, indem sie mittels Oberflächenmolekülen (positive Kurzdistanz-Wegweisermoleküle) mit diesen in Kontakt treten (Abb. 3).
Das nächste Problem stellt sich, wenn die Axone die Bodenplatte erreicht haben. Unmittelbar entlang der seitlichen Grenzen der Bodenplatte verläuft in Längsrichtung je ein Bündel von Nervenfasern. Die ankommenden Axone haben also nicht nur Kontakt mit den Bodenplattenzellen, sondern auch mit dem Längsfaserbündel.
An diesem Entscheidungspunkt müssen die Axone den richtigen Weg wählen (Abb. 3). Und obwohl Axone oft die Tendenz haben, anderen Axonen zu folgen, missachten sie das diesseitige Nervenbündel und wachsen in die Bodenplatte hinein. Sobald sie aber die andere Seite der Bodenplatte erreicht haben, machen sie eine abrupte Richtungsänderung um 90° und wachsen im jenseitigen Längsnervenbündel in Richtung Kopf.
Dass die Axone über die Mitte wachsen, ist erstaunlich, da andere Experimente gezeigt haben, dass die Bodenplattenzellen an und für sich abstossende Eigenschaften (negative Kurzdistanz- Wegweisermoleküle) haben. Doch den Axonen fehlt wahrscheinlich das Erkennungsmolekül für diesen abstossenden Faktor, bis sie die Mittellinie gekreuzt haben. Erst dann erscheint es auf der Oberfläche und verhindert so ein zweites Kreuzen.
Abzweigen oder nicht?
Wir haben den Entscheidungspunkt genauer untersucht, an dem Axone, die noch nicht gekreuzt haben, den Weg durch die Bodenplatte und nicht den alternativen Weg entlang des diesseitigen Längsfaserbündels wählen. Wir wollten wissen, welche Moleküle daran beteiligt sind.
Es gab Hinweise auf eine positive Bindung von zwei Oberflächenmolekülen, wovon das eine (Axonin-1) auf Axonen und das andere (NrCAM) auf Bodenplattenzellen zu finden ist. Ausserdem war bekannt, dass Kontakte unter kreuzenden Axonen durch NgCAM, ein weiteres Oberflächenmolekül, vermittelt werden (Abb. 3).
Vereinfacht man das System auf diese Bindungen, dann könnte man behaupten, dass sich Axone in vivo zwischen NgCAM allein und dem Gemisch von NgCAM und NrCAM entscheiden müssen.
NgCAM allein steht für den Weg entlang des diesseitigen Längsfaserbündels, wo Axone mittels einer NgCAM-NgCAM-Bindung anderen Axonen folgen. Das Gemisch von NgCAM und NrCAM steht für den Weg durch die Bodenplatte, wo nicht nur Axone anderen Axonen folgen (NgCAM-NgCAM), sondern auch noch eine zusätzliche Bindung zwischen Axonen und Bodenplattenzellen (Axonin-1-NrCAM) stattfindet.
Test am In-vitro-Modell
Diese Entscheidungssituation haben wir in einem In-vitro-Modell getestet. Zu diesem Zweck wurden kleine Gewebestücke mit Zellkörpern von kreuzenden Nervenzellen aus Hühnerembryonen seziert und in einer Plastikschale wachsen gelassen (Abb. 4). Der Boden der Schale wurde zuvor streifenförmig mit NgCAM allein und einem Gemisch von NrCAM und NgCAM beschichtet. Axone hatten nun die Wahl, auf den NgCAM-Streifen oder aber auf den gemischten NrCAM/NgCAM-Streifen zu wachsen. Sie entschieden sich für die gemischten NrCAM/NgCAM-Streifen (Abb. 4a), so wie sie sich auch im Embryo für die Bodenplatte, das heisst für das zusätzliche NrCAM-Signal, entscheiden.
Um zu prüfen, ob nun Axonin-1 auf den Axonen tatsächlich für die Erkennung von NrCAM verantwortlich ist, wurden Antikörper gegen Axonin-1 zugegeben. Antikörper gegen Axonin-1 binden ausschliesslich an Axonin-1 und machen es so unfähig, eine Bindung einzugehen. In der Folge wuchsen die Axone nun nicht mehr vorzugsweise auf den gemischten NrCAM/NgCAM-Streifen (Abb. 4b).
Daraus kann man den Schluss ziehen, dass NrCAM von den Bodenplattenzellen mit Axonin-1 auf den kreuzenden Axonen eine Bindung eingeht, welche die Axone über die Mittellinie führt. An einem Entscheidungspunkt konnten wir somit zeigen, welche Moleküle für die richtige Wahl des Weges verantwortlich sind.
Dr. Peter Sonderegger ist ausserordentlicher Professor für Biochemie an der Universität Zürich.
Dora Fitzli ist Assistentin am Biochemischen Institut der Universität Zürich.