Die Ursprünge der Synapse

Eine Synapse ist der Kontaktpunkt zwischen zwei Nervenzellen, ein winziger Ort, an dem Signale von einer Zelle zur anderen übertragen werden. Sie bilden die Grundlage dafür, dass Informationen in unserem Gehirn weitergeleitet werden, und ermöglichen all die bemerkenswerten Leistungen, zu denen wir fähig sind. Was in Lehrbüchern oft als statisches Schaubild dargestellt wird, ist in Wahrheit das Ergebnis einer über Millionen Jahre andauernden evolutionären Verfeinerung: von den signalübertragenden Mechanismen einfacher Choanoflagellaten bis zu den komplexen Netzwerken des menschlichen Gehirns.

Wie ist eine Synapse aufgebaut?

Eine Synapse ist die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen, an der Signale übertragen werden. Es gibt zwei Sorten von Synapsen: chemische und elektrische [1, 2]. In diesem Beitrag werden wir uns auf den Aufbau und die Evolution der chemischen Synapse konzentrieren.

Jede chemische Synapse besteht aus drei Hauptkomponenten: der präsynaptischen Endigung der sendenden Zelle, der postsynaptischen Verdichtung der empfangenden Zelle und dem dazwischenliegenden synaptischen Spalt [3]. Beide Zellen enthalten spezialisierte Proteine, die die Signalübertragung ermöglichen. Diese Proteine kann man sich wie kleine Helfer vorstellen, denn jedes übernimmt eine spezifische Aufgabe innerhalb der Zelle und trägt dazu bei, ihre Funktion aufrechtzuerhalten.

Um Informationen zu übertragen, braucht es in der präsynaptischen Zelle sogenannte Vesikel. Vesikel sind kleine, membranumgebene Bläschen, die Neurotransmitter wie Glutamat (erregend), GABA (hemmend) oder Acetylcholin enthalten, zur Synapse transportieren und dort in den synaptischen Spalt freisetzen [4, 5]. Für den Transport und das Freisetzen der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt benötigt man unterschiedliche Proteine. Zu den Proteinen, die am Transport und Freisetzen der Vesikel-Bläschen beteiligt sind, gehören z.B. SNAREs, Unc18 oder Synaptogamine [6].

Zwischen den beiden Nervenzellen sind außerdem Adhäsionsmoleküle. Das sind spezielle Moleküle, die eine entscheidende Rolle bei der Verbindung und Funktion von Nervenzellen spielen. Man kann sie sich wie einen (dynamischen) Klebstoff zwischen zwei Oberflächen vorstellen: Sie halten die beiden Nervenzellen eng aneinander. Zu diesen Adhäsionsmolekülen gehören zum Beispiel Neurexin und Neuroligin [7].

An der Oberfläche der postsynaptischen Zelle befinden sich Rezeptoren, die die freigesetzten Neurotransmitter binden und so Informationen von der vorgeschalteten Zelle entgegennehmen können. Zu diesen Rezeptoren gehören beispielsweise G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) [8].

Des Weiteren spielen postsynaptische Gerüstproteine eine Rolle. Zu diesen gehören zum Beispiel Shank und Homer [9]. 

Der Großteil der tierischen Vielfalt findet sich bei den Bilateria. Das sind all jene Lebewesen, die bilateralsymmetrisch gebaut sind – also eine linke und eine rechte Körperhälfte haben, die (zumindest im Larvenstadium) wie Spiegelbilder zueinander sind. Dazu gehören unter anderem Würmer, Insekten und Säugetiere [10].

Vor den Tieren: Choanoflagellaten als Pioniere

Choanoflagellaten sind mikroskopisch kleine, einzellige Organismen, die im Meer und im Süßwasser leben und mit einem Geißelhärchen (Flagellum) sowie einem charakteristischen Kragen aus feinen Ausstülpungen (Mikrovilli) Bakterien aus dem Wasser filtern. Sie gelten als unsere engsten einzelligen Verwandten: Genetische Analysen zeigen, dass sie die heute lebende Gruppe sind, die den Tieren evolutionär am nächsten steht [11]. Deshalb sind Choanoflagellaten für die Evolutionsbiologie extrem wichtig; sie helfen zu verstehen, wie aus einfachen Einzellern die komplexen Zellen und Gewebe von Tieren entstanden sind.

Eine gut untersuchte Art ist Salpingoeca rosetta, die oft in kleinen Kolonien lebt. Ihre Zellen besitzen ein sogenanntes „primordiales neurosekretorisches System“: Kleine Bläschen (Vesikel) sammeln sich am Kragen und enthalten Proteine, die wir sonst vor allem aus Synapsen im Nervensystem kennen – etwa SNARE‑Proteine, Unc13 und Complexin [12, 13, 14]. Diese Moleküle könnten hier helfen, Stoffe mittels Vesikeln gezielt nach außen zu bringen, ohne dass bereits echte Synapsen vorliegen. Das Protein Rab8 verteilt sich ungleichmäßig in der Zelle und hilft vermutlich dabei, Transportvesikel gezielt an einer bestimmten Stelle des Kragens ankommen zu lassen [15].

Auch elektrische Signale spielen eine Rolle: Choanoflagellaten besitzen spannungsabhängige Ionenkanäle, die kurzzeitige Veränderungen des elektrischen Potentials der Zellmembran erzeugen [16, 17]. Diese Veränderungen der Membranspannung können das Geißelhärchen stoppen und die Zelle leicht zusammenziehen lassen. Das scheint eine Rolle beim Fressverhalten zu spielen und passiert in Kolonien sogar synchron [18]. Die Tatsache, dass elektrische Signale innerhalb eines koloniebildenden Organismus verbreitet werden, weist darauf hin, dass Choanoflagellaten möglicherweise eine Form der Zell-Zell-Kommunikation besitzen, die Ähnlichkeiten mit der Signalübertragung in tierischen Nervensystemen aufweist. Im Zellkern von S. rosetta, einem Choanoflagellaten, ist das Protein Homer zu finden. In tierischen Nervenzellen dient es als Gerüstprotein und organisiert postsynaptische Rezeptoren [19].

Schwämme und neuroide Zellen

Schwämme sind sessile Filterfresser: Sie sitzen fest an einem Ort und ernähren sich, indem sie Wasser durch ihren Körper pumpen und darin enthaltene winzige Partikel wie Bakterien oder Plankton herausfiltern. Die Innenseite der Schwämme ist mit Choanozyten übersät, sogenannten Kragenzellen, die ihrem Aufbau nach den freilebenden Choanoflagellaten (siehe Abbildung 2) sehr ähnlich sind [20]. 

Schwämme besitzen weder Muskeln noch ein Nervensystem, trotzdem enthält ihr Genom eine überraschend große Zahl an Genen für Komponenten des sogenannten synaptischen Toolkits. Also Bausteine, aus denen bei anderen Tieren echte Synapsen aufgebaut werden [21].

Schwämme zeigen zudem körperweite, koordinierte Verhaltensweisen, um den Wasserstrom in ihrem Kanalsystem zu optimieren. Ein bekanntes Beispiel ist das sogenannte „Sneezing“: Dabei blähen sich die Kanäle auf und entleeren sich anschließend, um Verstopfungen zu beseitigen. Solche Reaktionen werden durch Signalmoleküle gesteuert, die man auch im menschlichen Nervensystem findet, etwa GABA oder Stickstoffmonoxid (NO) [22, 23, 24]. 

In Süßwasserschwämmen wie Spongilla lacustris gibt es sogenannte „neuroide Zellen“, die zwar keine echten Neuronen sind, aber Gene für Proteine tragen, die man sonst aus präsynaptischen Zellen kennt, etwa Unc13 und Rab3. Diese neuroiden Zellen berühren die Choanozyten, die wiederum Gene für postsynaptische Proteine wie Shank und Homer besitzen, die ebenfalls beim Menschen zu finden sind [25, 26]. 

Nesseltiere und Nervennetze

Nesseltiere (Cnidaria) sind die Schwestergruppe der Bilateria, zu welchen wir Menschen gehören [27]. Zu den Nesseltieren gehören beispielsweise Anemonen, Korallen oder Quallen. Charakteristisch für Nesseltiere sind ihre Nesselkapseln. Dabei handelt es sich um hochspezialisierte Giftexplosionszellen, die zur Jagd genutzt werden [28]. Berührung der Nesselzellen führt zu deren Explosion, was wir Menschen als typischen “Quallenstich” kennen.

Das Nervensystem der Cnidaria besteht aus einem diffusen Nervennetz, bestehend aus Nervenzellen, welche mit Synapsen miteinander verbunden sind [29]. Außerdem ähneln die Proteine in der präsynaptischen und postsynaptischen Zelle denen von vielen Wirbeltieren [29]. So besitzen sie zum Beispiel Synaptogamin 1, Unc13, Rab3 und auch viele Neurotransmitter der Wirbeltiere [30, 26]. Weiter besitzen sie auch Shank und Homer in der Postsynapse und Neurexin und Neuroligin, welche wie Klebstoff die Nervenzellen aneinanderhalten [26].

Von Abwehr zur Synapse

Die ersten Synapsen entstanden vermutlich, als sich die frühen Tiere weiterentwickelten und vielfältiger wurden [31]. Noch ist unklar, ob diese Verbindungen zwischen Nervenzellen nur einmal oder mehrfach unabhängig voneinander entstanden sind. Zu Beginn koordinierten die frühen, vielzelligen Organismen ihr Verhalten wahrscheinlich über eher diffuse chemische Signale, bevor sich gezieltere und präzisere Formen der Kommunikation, die chemischen Synapsen, entwickelten. Wahrscheinlich spielten Sinnes- und Sekretionszellen, die mit Mikroben in Kontakt standen, dabei eine wichtige Rolle [26]. Vermutlich nutzten diese Zellen synapsenähnliche Proteine ursprünglich, um Abwehrstoffe gegen Mikroben freizusetzen – ein Mechanismus, der sich später zur Signalübertragung zwischen Nervenzellen entwickelt haben könnte.

Der Übergang zu einem frei im Wasser lebenden Lebensstil brachte neue Herausforderungen mit sich. In einer dreidimensionalen Umgebung wurde schnelle und präzise Kommunikation wichtiger, um Bewegung und Reaktion auf Umweltreize zu koordinieren. Dadurch entstanden vermutlich die elektrischen Verbindungen zwischen Zellen, sogenannte Gap Junctions, und immer effizientere chemische Synapsen. In Tiergruppen wie Rippenquallen und Nesseltieren entwickelten sich diese Systeme unabhängig voneinander weiter und legten so den Grundstein für die komplexen Nervensysteme, die wir heute kennen [26].

Quellen

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