Wie mechanisches Reißen neuronale Verbindungen in der Fruchtfliege durchtrennt

Wissenschaftler des Instituts für Neuro- und Verhaltensbiologie der WWU haben den regulierten Abbau neuronaler Verbindungen im Modellsystem der Drosophila-Fruchtfliege untersucht. Sie stellen fest, dass mechanische Kräfte dabei eine wichtige Rolle spielen.

Nervenzellen kommunizieren miteinander über lange Fortsätze, die als Axone und Dendriten oder allgemeiner Neuriten bekannt sind. Während der Entwicklung wachsen diese Fortsätze zunächst und gehen Verbindungen mit anderen Zellen ein, zum Beispiel Synapsen mit anderen Nervenzellen. Alle Neuriten, die nicht richtig verknüpft sind oder nicht mehr benötigt werden, werden durch einen Korrekturmechanismus entfernt, der als „Pruning“ bekannt ist. Solche Beschneidungsprozesse können drastisch erscheinen, und Neuriten scheinen manchmal direkt von der Nervenzelle abgetrennt zu werden.

Forscher um Dr. Sebastian Rumpf vom Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie der WWU haben nun den Mechanismus der Neuriten-Durchtrennung gefunden. In einer Studie veröffentlicht in der Zeitschrift für Zellbiologiezeigt das Team, dass in sensorischen Nervenzellen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster das Beschneiden durch mechanisches Reißen erfolgt.

Bei der Fruchtfliege wird eine große Anzahl von Neuriten durch Beschneiden während der Puppenphase oder Metamorphose entfernt. „Zunächst werden die Neuriten sehr instabil. Das liegt an einem intrinsischen Mechanismus“, sagt Sebastian Rumpf. Die Hauptphase des Beschneidens fällt mit der Phase zusammen, in der das Tier seine Körperform ändert, was mit starken Körperkontraktionen einhergeht.

„Wir haben jetzt herausgefunden, dass diese Bewegungen die zerbrechlichen Neuriten so belasten, dass sie abgerissen werden“, erklärt Rumpf. Die abgetrennten Neuriten werden dann als „Abfall“ erkannt und vom umliegenden Gewebe entfernt.

Tierische Zellen sind ständig mechanischen Kräften ausgesetzt, auf die sie beispielsweise mit einer Formänderung reagieren können. „Über die Rolle mechanischer Kräfte im Nervensystem ist überraschend wenig bekannt“, sagen die Erstautoren Dr. Rafael Krämer und Dr. Neele Wolterhoff. „Unsere Arbeit zeigt nun, wie sich mechanisches Ziehen auf Nervenzellen auswirken kann.“

Der Beschneidungsmechanismus war zuvor unklar, und die Rolle, die mechanische Kräfte spielen, war nicht untersucht worden. Stattdessen vermuteten Experten, dass es in den Neuriten selbst einen Trennmechanismus geben musste. Allerdings ließen sich Effekte durch potenziell „trennende“ Enzyme immer auf unterschiedliche Weise besser erklären, sodass der Mechanismus unklar blieb.

Der Nachweis mechanischer Kräfte in Drosophila-Puppen ist schwierig, da die Tiere nicht aus ihren Puppenhüllen entfernt werden können, um Kraftmessungen vorzunehmen. Um dieses Problem zu lösen, verfolgten Krämer und Wolterhoff den Beschneidungsprozess mit Live-Videomikroskopie und nahmen viele lange Videos vom Beschneiden von Nervenzellen auf.

Durch die Analyse dieser Videoaufnahmen demonstrierten sie dann die Existenz von Zugkräften. Beispielsweise wurden die Neuriten zunächst gedehnt, bevor sie abgerissen wurden, was darauf hinweist, dass sie unter Spannung standen. Durch genetische Manipulationen konnten sie auch die morphogenetischen Bewegungen verringern, die zu Fehlern im Beschneidungsprozess führten.