Neuronale Ca²⁺-Signale

Ca²⁺-Signale induzieren Genexpression

Aktivierung der Gentranskription durch somatische und dendritische Ca²⁺-Signale

Wie ensteht Gedächtnis? Oder, genauer gefragt: Wie verändert eine Nervenzelle ihre Eigenschaften durch Erfahrung, also durch neuronale Aktivität? Dies ist eine der spannendsten Fragen der Neurobiologie, und die Erforschung von neuronalen Ca²⁺-Signalen steht im Mittelpunkt dieses Arbeitsgebietes. Eine langfristige Änderung der Eigenschaften einer Nervenzellen (zB eine erhöhte Empfindlichkeit für synaptische Stimulation) kann durch Aktivierung von Genexpression und Proteinsynthese hervorgebracht werden. Dazu müssen Signale von der Plasmamembran zum Kern geleitet werden, und Ca²⁺ spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung dieser Signale, sowohl im Zytoplasma als auch im Kern. Gentranskription kann durch den Transkriptionsfaktor CREB (Ca²⁺/cAMP-response element binding protein) induziert werden. CREB selber wird durch Phosphorylierung aktiviert. Unterschiedliche Proteinkinasen dringen bei neuronaler Aktivität in den Kern ein und phosphorylieren CREB. Dazu gehören MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase), PKA (cAMP- abhängige Proteinkinase) und CaMKK (Calmodulinkinase-kinase). Ca²⁺-Einstrom durch die Plasmamembran steht am Anfang all dieser Signalketten: Der Ras-MAPK-Weg kann durch Ca²⁺-Einstrom aktiviert werden; Ca²⁺ stimuliert das membranständige Enzym Adenlyatzyklase (AC), das cAMP synthetisiert und damit die PKA aktiviert; und einströmende Ca²⁺ aktiviert das Ca²⁺-Bindeprotein Calmodulin (CaM), das wiederum die CaMKK stimuliert. Ca²⁺-Signale erreichen aber auch das Innere des Kerns. Dort aktivieren sie das CREB-Bindeprotein (CBP), das für die Induktion der Genexpression durch das phosphorylierte CREB notwendig ist. Das ER mit seiner Fähigkeit zur Bildung von regenerativen Ca²⁺-Signalen spielt offenbar eine wichtige Rolle bei diesem Prozess: Ca²⁺-Signale können ohne Abschwächung von der Plasmamembran zum Kern (somatische Ca²⁺-Wellen) als auch entlang der Dendriten (dendritische Ca²⁺-Wellen) bis zum Kern geleitet werden. Das neuronale ER-System dient damit der effizienten Übermittlung von Ca²⁺-Signalen über weite Strecken hinweg bis zum Zellkern. Nach: Berridge (1998)

Aktivierung der Gentranskription durch somatische und dendritische Ca²⁺-Signale

Wie ensteht Gedächtnis? Oder, genauer gefragt: Wie verändert eine Nervenzelle ihre Eigenschaften durch Erfahrung, also durch neuronale Aktivität? Dies ist eine der spannendsten Fragen der Neurobiologie, und die Erforschung von neuronalen Ca²⁺-Signalen steht im Mittelpunkt dieses Arbeitsgebietes. Eine langfristige Änderung der Eigenschaften einer Nervenzellen (zB eine erhöhte Empfindlichkeit für synaptische Stimulation) kann durch Aktivierung von Genexpression und Proteinsynthese hervorgebracht werden. Dazu müssen Signale von der Plasmamembran zum Kern geleitet werden, und Ca²⁺ spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung dieser Signale, sowohl im Zytoplasma als auch im Kern. Gentranskription kann durch den Transkriptionsfaktor CREB (Ca²⁺/cAMP-response element binding protein) induziert werden. CREB selber wird durch Phosphorylierung aktiviert. Unterschiedliche Proteinkinasen dringen bei neuronaler Aktivität in den Kern ein und phosphorylieren CREB. Dazu gehören MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase), PKA (cAMP- abhängige Proteinkinase) und CaMKK (Calmodulinkinase-kinase).

Ca²⁺-Einstrom durch die Plasmamembran steht am Anfang all dieser Signalketten: Der Ras-MAPK-Weg kann durch Ca²⁺-Einstrom aktiviert werden; Ca²⁺ stimuliert das membranständige Enzym Adenlyatzyklase (AC), das cAMP synthetisiert und damit die PKA aktiviert; und einströmende Ca²⁺ aktiviert das Ca²⁺-Bindeprotein Calmodulin (CaM), das wiederum die CaMKK stimuliert. Ca²⁺-Signale erreichen aber auch das Innere des Kerns. Dort aktivieren sie das CREB-Bindeprotein (CBP), das für die Induktion der Genexpression durch das phosphorylierte CREB notwendig ist. Das ER mit seiner Fähigkeit zur Bildung von regenerativen Ca²⁺-Signalen spielt offenbar eine wichtige Rolle bei diesem Prozess: Ca²⁺-Signale können ohne Abschwächung von der Plasmamembran zum Kern (somatische Ca²⁺-Wellen) als auch entlang der Dendriten (dendritische Ca²⁺-Wellen) bis zum Kern geleitet werden. Das neuronale ER-System dient damit der effizienten Übermittlung von Ca²⁺-Signalen über weite Strecken hinweg bis zum Zellkern.

Nach: Berridge (1998)

Neuronale Ca2+-Signale

Ca2+-Signale induzieren Genexpression

Aktivierung der Gentranskription durch somatische und dendritische Ca2+-Signale

Neuronale Ca²⁺-Signale

Ca²⁺-Signale induzieren Genexpression

Aktivierung der Gentranskription durch somatische und dendritische Ca²⁺-Signale