Ein menschliches Gehirn besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die über Synapsen miteinander kommunizieren. Innerhalb der Synapsen befinden sich über 1000 verschiedene Eiweißbausteine, die Lern- und Gedächtnisprozesse im Gehirn beeinflussen. Einige neurologische Krankheiten und Entwicklungsstörungen gehen auf defekte Synapsenproteine zurück. Eines dieser Proteine heißt Jacob. Dr. Michael Kreutz, Leiter der Forschergruppe Neuroplastizität am Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN), und seine Mitarbeiterin Dr. Christina Spilker haben mit einem Magdeburger Forscherteam in einer neuen Studie die Bedeutung des Jacob-Proteins im Gehirn entschlüsselt und im Fachmagazin PLOS Genetics publiziert.

Das Jacob-Protein spielt in Nervenzellen eine wichtige Rolle als Mittler von Informationen zwischen Synapsen und dem Zellkern. Es wurde Ende der 1990er Jahre von Dr. Michael Kreutz am LIN entdeckt. In der vorliegenden Studie haben Magdeburger Neurowissenschaftler des LIN und der Otto-von-Guericke-Universität im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 779 untersucht, ob das Jacob-Protein Lernprozesse beeinflusst und eventuell auch zur Entstehung des seltenen Kallmann-Syndroms beiträgt.

Beim Kallmann-Syndrom handelt es sich um eine Erkrankung, die auf eine Entwicklungsstörung des zentralen Nervensystems zurückzuführen ist. Ursächlich ist eine gestörte Wanderung bestimmter Hormon-produzierender Neurone während der frühen embryonalen Entwicklung in den Hypothalamus, einen Bereich im Vorderhirn. Erreichen diese Neurone ihren Zielort nicht, kommt es zu den typischen Symptomen: die Pubertät bei den Betroffenen bleibt aus oder verzögert sich; weiterhin ist ihr Geruchssinn gemindert oder gar nicht vorhanden. Seit Langem vermuten Humangenetiker, dass es zwischen Mutationen im Jacob-Gen und dem Kallmann-Syndrom einen Zusammenhang gibt, da einige der Patienten Mutationen im Jacob-Gen aufweisen, obwohl auch die Beteiligung mehrerer anderer Gene bei der Entstehung der genetischen Störung möglich ist.

Das Magdeburger Forscherteam konnte in der neuen Studie an Mäusen zeigen, dass die Entwicklungsstörung nicht durch Jacob hervorgerufen wird. Dr. Christina Spilker berichtet: "Wir haben Knockout-Mäuse getestet, denen das Gen fehlt, welches das Jacob-Protein kodiert. Die Wanderung der Hormon-bildenden GnRH-Neurone in den Hypothalamus war bei den Nagern vollkommen in Ordnung und die typischen Kallmann-Symptome sind nicht aufgetreten. Somit konnten wir zeigen, dass es keinen Zusammenhang zwischen dem Jacob-Gen und dem Kallmann-Syndrom gibt."

Im weiteren Verlauf der Studie untersuchten die Magdeburger Wissenschaftler, inwiefern das Jacob-Protein Plastizitäts- und Lernprozesse im gesunden Gehirn steuert. Wenn man neue Zusammenhänge lernt oder Fähigkeiten verbessert, werden bestimmte Schaltkreise und deren Synapsen im Gehirn verstärkt genutzt. Die Nervenbahnen verändern sich dadurch und eine Gedächtnisspur entsteht. Diese Umbauprozesse, die durch die Aktivierung neuer Verschaltungen angelegt werden, bezeichnet man als synaptische Plastizität.

Zunächst konnten die Forscher zeigen, dass die Morphologie des Hippokampus, einer Hirnregion, die für Lernprozesse sehr wichtig ist, bei den Jacob-Knockout-Mäusen verändert ist. Die Neuronen im Hippokampus der Mäuse ohne Jacob-Protein haben eine weniger komplexe Anatomie und weniger Synapsen verglichen mit den Nervenzellen normaler Tiere. Das wirkt sich auch auf die Lernfähigkeit der Tiere aus. In Verhaltensexperimenten haben die Wissenschaftler Lernprozesse im Hippokampus analysiert und festgestellt, dass die Jacob-Knockout-Mäuse ein deutlich schlechteres räumliches Gedächtnis haben, sich also beispielsweise die Position von Objekten im Raum schlechter merken können.

Eine wichtige Rolle bei der Jacob-vermittelten Signalweiterleitung in Neuronen spielt der Hirn-Wachstumsfaktor BDNF. Spilker erklärt: "Wir konnten nachweisen, dass der Gehalt an BDNF in Nervenzellen ohne Jacob während der frühen postnatalen Entwicklung verringert ist. Das wirkt sich auf die Jacob-vermittelte Signaltransduktion aus, sodass es zu den beschriebenen morphologischen Veränderungen und Lerndefiziten kommt. Gibt man BDNF zu Neuronen aus Jacob-Knockout-Mäusen, so können die anatomischen Auffälligkeiten vermindert werden."

Die Studie ist online verfügbar unter:
http://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1005907

Das Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) in Magdeburg ist ein Zentrum für Lern- und Gedächtnisforschung.