NO produzierende Neurone

Stickoxid (NO) ist ein membranpermeabler Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem bei Vertebraten und Invertebraten. Im Gegensatz zu konventionellen Neurotransmittern wird NO nicht in Vesikeln gespeichert, sondern wird bei Bedarf synthetisiert. Die Synthese erfolgt durch die Stickoxidsynthase (NOS). Dieses Enzym metabolisiert die Aminosäure Arginin zu NO und Citrullin. NO aktiviert die Guanylatzylkase und induziert die intrazelluläre Akkumulation von cGMP. cGMP aktiviert verschiedene Enzyme und Ionenkanäle. Das Ziel des vorliegenden Projektantrages ist: 1. Die Lokalisation von NO produzierenden Zellen und die zytochemische Lokalisation von Arginin, Citrullin und cGMP im Nervensystem der Weinbergschnecke Helix pomatia. Die Lokalisation dieser Moleküle erlaubt festzustellen, welche Schaltstellen in einem neuralen Schaltkreis NO als Transmitter verwenden und welche Zellen zusammenarbeiten um NO herzustellen. 2. Modulation der synaptischen Transmission. Seit der Entdeckung von NO als bioaktives Molekül sind mehrere Tausend Arbeiten publiziert worden. Nur wenige Studien beschäftigen sich allerdings mit der Wirkung von NO auf die elektrische Aktivität der Neurone und die synaptische Übertragung. In dem vorliegenden Projekt soll die Wirkung von NO bzw. von cGMP auf die neuronale Aktivität und die synaptische Transmission untersucht werden. In diesem Zusammenhang werden spannungsabhängige Ionenströme und ligandenaktivierte Ionenströme bei Nervenzellen der Weinbergschnecke untersucht. Schnecken vereinigen zwei attraktive Eigenschaften. Sie haben, erstens, ein relativ einfaches Nervensystem mit wenigen Neuronen (nur wenige tausend) die häufig einfach zu identifizieren sind und sie haben, zweitens, ein relativ einfaches Verhaltensrepertoire. Deshalb konnten bei Gastropoden die neuronalen Korrelate für verschiedene Verhaltensweisen detailliert untersucht werden. In dem vorliegenden Projektantrag ziehe ich vor allem aus der relativ einfachen Organisation des Nervensystems nutzen. Insbesondere werde ich Neurone studieren, die bei der chemosensorischen Verarbeitung und der Kontrolle der Buccalmuskulatur involviert sind. Diese neuronalen Netze sind bei Gastropoden gut untersucht, so daß ich meine zellbiologischen Untersuchungen in einen Verhaltenkontext stellen kann.

Kognitive Prozesse wie Lernen und Gedächtnis, Emotionen, geplante Bewegungsvorgänge oder die Kontrolle autonomer Vorgänge im Körperinneren haben ihren Ursprung in der kontinuierlichen Kommunikation von Nervenzellen. Ermöglicht wird die Kommunikation durch verschiedene chemische Botenstoffe, die von einer Nervenzelle abgegeben werden und von einer nachgeschalteten Zelle registriert werden. Die Botenstoffe können entweder zu einer transienten Änderung der zellulären Aktivität führen oder zur Bildung einer permanenten Gedächtnisspur. Stickstoffmonoxid, ein Botenstoff inner - und außerhalb des Nervensystems, hat aufgrund seiner vielfältigen Funktionen die Aufmerksamkeit zahlreicher Forscher auf sich gezogen. Aufgrund der relativ geringen Anzahl von Neuronen und die Größe der einzelnen Neurone hat die Analyse des Nervensystems bei Schnecken einen wesentlichen Beitrag zur zellulären und molekularen Interpretation des Verhaltens und Lernens beigetragen. Wir haben auf dieses einfache Model aufgebaut und folgende Fragen untersucht: (1) Können Schnecken NO herstellen? (2) Wie wird die Produktion von NO reguliert? (3) Wie moduliert NO die neuronale Erregbarkeit? (4) Welche Wechselwirkung geht NO mit anderen zellulären Vorgängen, z. B. Eisenmetabolismus ein? Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Weinbergschnecke, Helix pomatia, ein Gen für ein NO synthetisierendes Enzym (Stickoxidsynthase, NOS) besitzt. Mit molekularbiologischen Methoden haben wir den Aufbau der NOS bei der Weinbergschnecke aufgeklärt und mit der NOS des Menschen verglichen. NOS bei Schnecke und Mensch stimmen zu einem Großteil überein und werden wahrscheinlich durch ähnliche Prozesse reguliert. Mit histochemischen Methoden haben wir die zelluläre Verteilung des Enzyms, seines Substrates und Produktes im Nervensystem der Weinbergschnecke analysiert. Ein wesentlicher Befund dieser Untersuchungen war, dass Enzym und Substrat in unterschiedlichen Zellen vorkommen. Diese deutet darauf hin, dass das Enzym von einem Nachschub des Substrates abhängig ist und auf diese Weise eine Überproduktion von NO verhindert werden kann. Elektrophysiologische Untersuchungen haben uns gezeigt, dass NO die neuronale Aktivität erhöhen kann. Dies erfolgt vermutlich über eine Blockierung der Leitfähigkeit von Kaliumionen und eine Erhöhung der Leitfähigkeit für Calciumionen. Weiters reguliert NO vermutlich den Eisenhaushalt über die Regulation eisenregulierender Proteine.