Wie eine Genmutation zu höherer Intelligenz führt

Wenn Gene mutieren, kann dies zu schweren Erkrankungen des menschlichen Nervensystems führen. Forscher der Universität Leipzig und der Universität Würzburg haben nun anhand von Fruchtfliegen gezeigt, dass die Mutation eines neuronalen Gens neben dem negativen Effekt auch einen positiven Effekt haben kann – nämlich einen höheren IQ beim Menschen. Sie haben die Entdeckung in der Fachzeitschrift veröffentlicht Gehirn.

Synapsen sind die Kontaktstellen im Gehirn, über die Nervenzellen miteinander „sprechen“. Störungen dieser Kommunikation führen zu Erkrankungen des Nervensystems, da beispielsweise veränderte synaptische Proteine ​​diesen komplexen molekularen Mechanismus beeinträchtigen können. Daraus können leichte Symptome, aber auch sehr schwere Behinderungen bei den Betroffenen resultieren.

Das Interesse der beiden Neurobiologen Professor Tobias Langenhan und Professor Manfred Heckmann aus Leipzig bzw. Würzburg war geweckt, als sie in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von einer Mutation lasen, die ein synaptisches Protein schädigt. Die betroffenen Patienten erregten zunächst die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler, weil sie durch die Mutation erblindeten. Allerdings fiel den Ärzten dann auf, dass die Patienten auch überdurchschnittlich intelligent waren. „Es ist sehr selten, dass eine Mutation eher zu einer Verbesserung als zu einem Funktionsverlust führt“, sagt Langenhan, Professor und Inhaber eines Lehrstuhls am Rudolf-Schönheimer-Institut für Biochemie der Medizinischen Fakultät.

Die beiden Neurobiologen aus Leipzig und Würzburg verwenden seit vielen Jahren Fruchtfliegen, um synaptische Funktionen zu analysieren. „Unser Forschungsprojekt war darauf ausgelegt, die Mutation der Patienten in das entsprechende Gen der Fliege einzubauen und mit Techniken wie der Elektrophysiologie zu testen, was dann mit den Synapsen passiert. Wir gingen davon aus, dass die Mutation die Patienten so schlau macht, weil sie die Kommunikation zwischen ihnen verbessert.“ die Neuronen, an denen das verletzte Protein beteiligt ist“, erklärt Langenhan. „Natürlich kann man diese Messungen nicht an den Synapsen im Gehirn menschlicher Patienten durchführen. Dafür muss man Tiermodelle verwenden.“

Drei Viertel der Gene, die beim Menschen Krankheiten verursachen, existieren auch in Fruchtfliegen

Zunächst zeigten die Wissenschaftler zusammen mit Forschern aus Oxford, dass das Fliegenprotein namens RIM molekular identisch mit dem des Menschen aussieht. Dies war unabdingbar, um die Veränderungen im menschlichen Gehirn in der Fliege untersuchen zu können. Im nächsten Schritt fügten die Neurobiologen Mutationen in das Fliegengenom ein, die genauso aussahen wie bei den Erkrankten. Anschließend nahmen sie elektrophysiologische Messungen der synaptischen Aktivität vor. „Wir haben tatsächlich beobachtet, dass die Tiere mit der Mutation eine stark erhöhte Informationsübertragung an den Synapsen zeigten. Dieser erstaunliche Effekt auf die Fliegensynapsen findet sich wahrscheinlich in gleicher oder ähnlicher Weise bei menschlichen Patienten und könnte deren gesteigerte kognitive Leistungsfähigkeit erklären.“ sondern auch ihre Blindheit“, schließt Professor Langenhan.

Die Wissenschaftler entdeckten auch, wie die verstärkte Übertragung an den Synapsen zustande kommt: Die molekularen Bestandteile in der übertragenden Nervenzelle, die die synaptischen Impulse auslösen, rücken durch den Mutationseffekt näher zusammen und führen zu einer vermehrten Ausschüttung von Neurotransmittern. Eine neuartige Methode, die hochauflösende Mikroskopie, war eine der in der Studie verwendeten Techniken. „Das gibt uns ein Werkzeug, um einzelne Moleküle zu betrachten und sogar zu zählen, und bestätigt, dass die Moleküle in der Brennzelle näher beieinander liegen als normalerweise“, sagt Professor Langenhan, der bei der Studie auch von der Forschungsgruppe von Professor Hartmut Schmidt unterstützt wurde das Carl-Ludwig-Institut in Leipzig.

„Das Projekt demonstriert auf wunderbare Weise, wie ein außergewöhnliches Modelltier wie die Fruchtfliege verwendet werden kann, um ein sehr tiefes Verständnis menschlicher Gehirnerkrankungen zu erlangen. Die Tiere sind dem Menschen genetisch sehr ähnlich. Es wird geschätzt, dass 75 Prozent der Gene beim Menschen an Krankheiten beteiligt sind kommen auch in der Fruchtfliege vor“, weist Professor Langenhan auf weitere Forschungen zum Thema an der Medizinischen Fakultät hin. „Wir haben mehrere gemeinsame Projekte mit Humangenetikern, Pathologen und dem Team des Integrierten Forschungs- und Behandlungszentrums (IFB) AdipositasErkrankungen gestartet, die am Universitätsklinikum Leipzig Entwicklungsstörungen des Gehirns, die Entstehung bösartiger Tumore und Adipositas untersuchen. Außerdem werden wir krankheitsverursachende Mutationen in die Fruchtfliege einfügen, um menschliche Krankheiten zu replizieren und besser zu verstehen.“