Sind infertile Tiere vor einer Neurodegeneration geschützt?

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Forschern der Duke University ist der Nachweis gelungen, dass eine Infektion mit lebendigen, pathogenen Bakterien eine Neurodegeneration im Wurm C. elegans auslösen kann.

Die Zusammenhänge sind noch unklar, aber immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass es eine Verbindung zwischen Infektionen, unserem Immunsystem und der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, ALS und Parkinson gibt. Wissenschaftlern einer Arbeitsgruppe der Duke University ist es unlängst gelungen nachzuweisen, dass eine Infektion mit lebendigen, pathogenen Bakterien eine Neurodegeneration im Wurm C. elegans auslösen kann. In den infizierten Würmern zeigte sich im Verlauf eine Reihe von Veränderungen, die als etablierte Merkmale von Neurodegeneration  in alternden Menschen und Patienten mit Erkrankungen wie Alzheimer gelten.

Die Studie (DOI: 10.1074/jbc.M115.674259), die am 4. Dezember 2015 im Journal of Biological Chemistry erschien, offenbarte Forschern und Lesern darüber hinaus eine große Überraschung: infertile Tiere scheinen vor einer Neurodegeneration geschützt zu sein.

“In Würmern gibt es möglicherweise eine Art Signal aus den Geschlechtszellen oder der Keimbahn, das bei einer durch eine Infektion induzierten Neurodegeneration eine Rolle spielt”, sagt Alejandro Aballay,  leitender Studienautor und Professor für Molekulare Genetik und Mikrobiologie an der Duke University School of Medicine in Durham, USA.

Aballay gibt zu, dass ihre Entdeckung zwar unerwartet war, seine Arbeitsgruppe aber sehr wohl wusste, dass Infertilität Energie einspart, die eigentlich zur Produktion von Keimzellen verwendet werden würde. Stattdessen wird die überschüssige Energie bei unfruchtbaren Tieren für Gewebereparaturen und weitere Instandhaltungsprozesse genutzt. Es wird dabei interessant sein, herauszufinden, wie die Reaktion auf Krankheitserreger in dieses Schema passt.

Patienten mit chronischen Entzündungen sind für neurodegenerative Erkrankungen besonders anfällig

In den letzten Jahren fielen Wissenschaftlern erstmals krankheitsrelevante Zusammenhänge zwischen Pathogenen und dem Auftreten von Neurodegeneration auf. Verschiedene Studien konnten daraufhin beweisen, dass Patienten, die an chronischen Entzündungen leiden, besonders anfällig für neurodegenerative Erkrankungen sind. Es wird gegenwärtig angenommen, dass Mikroben den Menschen infizieren, im Folgenden das Immunsystem aktiviert wird und so inflammatorische Prozesse auslösen, die sukzessive Neuronen zerstören. Dieser unbeabsichtigte Verlauf nach der Infektion nützt weder den Mikroben und noch viel weniger dem Wirten, in welchem der Prozess stattfindet.

Da es sehr schwierig ist, diesen Prozess beim Menschen zu untersuchen, setzte Aballays Labor den Fadenwurm, Caenorhabditis Elegans, als Modell in der Studie ein. Diese transparenten Würmer haben ein viel einfacheres Nervensystem als der Mensch. Obwohl es aus gerade einmal 302 Neuronen besteht, beinhalten sie dennoch die allermeisten Nervenzellarten, die in den Hirnen von Säugetieren angetroffen werden. Des Weiteren verfügt der Wurm auch nur über ein rudimentäres Immunsystem.

Im Labor leben die Würmer in der Regel in Petrischalen, die mit einem Rasen aus E.-Coli-Bakterien beschichtet sind. Die Bakterien werden von den Würmern den ganzen Tag lang förmlich abgegrast und verzehrt.  Um die Würmer zu infizieren, ersetzten Aballay und seine Kollegen einfach die typische Wurmkost durch den häufig vorkommenden bakteriellen Erreger Pseudomonas Aeruginosa. Darüber hinaus markierten sie die Neuronen der Tiere mit einem fluoreszierenden Marker, sodass die Forscher die neurodegenerativen Veränderungen, welche mit Infektionen assoziiert werden, sichtbar machen konnten.

Signalübermittlung  bei Perlen-Neurone deutlich langsamer

Im Rahmen ihrer Untersuchungen beobachteten die Wissenschaftler einige neuronale Veränderungen, die als Kennzeichen für Neurodegeneration bekannt sind.  Zum Beispiel sahen sie sogenannte Perlen-Neurone. Dabei handelt es sich um Nervenzellen mit runden Auswüchsen, die das Erscheinungsbild von Perlen ergeben. Darüber hinaus fanden die Forscher auch  Bereiche, in denen Neurone, die normalerweise schnurgerade verlaufen, verzweigt oder wellig sind.

Neurone sind so konzipiert, dass sie Signale von einer Zelle zur nächsten Zelle übertragen. Aballay erklärt, dass die wellig verlaufenden Neurone hingegen eher einer Bergroute als einer Autobahn ähneln. Die Signalübermittlung findet hier deutlich langsamer und ineffizienter statt, da Drehungen und Kurven erst überwunden werden müssen.

Im Menschen würden sich derartige Veränderungen in Form von kognitiven Defiziten bemerkbar machen. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass es Betroffenen schwerer fällt, sich an einen Namen oder den Ort, an dem sie ihren Autoschlüssel abgelegt haben, zu erinnern. In den Würmern stellten die Forscher fest, dass die Neurodegeneration sogar funktionale Konsequenzen hatte. Normalerweise sind die Tiere in der Lage, ihre favorisierte Kost, das Salz, präzise aufzuspüren und sich in die entsprechende Richtung zu bewegen. Nachdem ihre Neurone jedoch beschädigt waren, ließ ihre Fähigkeit auf diesen Stimulus zu reagieren, deutlich nach.

Gen DAF-16 ist für die Resistenz gegenüber der Neurodegeneration in den Mutanten notwendig

Nachdem die Konsequenzen einer Infektion bekannt waren, nahmen  sich die Wissenschaftler vor, herauszufinden, ob es möglicherweise Gene gibt, die die Würmer vor einer Infektion und Neurodegeneration schützen können. Dafür induzierten sie verschiedene Mutationen in Hunderten von Würmern und infizierten diese mit demselben pathogenen Bakterium wie auch schon zuvor. Anschließend schauten sie, ob einige von ihnen eine Resistenz gegenüber einer Infekt-induzierten Neurodegeneration zeigten. Dabei entdeckte die Gruppe einen besonders vielversprechenden Kandidaten, bei dem eine Mutation in dem Gen namens mes-1 stattfand. Interessanterweise fehlten allen Würmern mit dieser spezifischen Mutation Keimzellen, welche für ihre Reproduktion erforderlich sind.

In anschließenden genetischen Studien fanden Aballay und seine Kollegen heraus, dass ein weiteres Gen namens DAF-16 für die Resistenz gegenüber der Neurodegeneration in den Mutanten nötig ist. Sein menschliches Äquivalent, das Gen FOXO6, ist für seine Beteiligung an Leitungen, die das Immunsystem, Lebensdauer und Stressantworten kontrollieren, bekannt.

Aballay sagt: “In Zukunft wollen wir uns noch mehr darauf konzentrieren, was auf der Ebene des Neurons passiert, um so zu verstehen, wie das Neuron auf pathogene Moleküle oder entzündliche Reize reagiert und wie die Erfassung solcher Umgebungsreize letztendlich die Neurodegeneration auslöst.”

Text: esanum/ pvd

Foto: Alex_Traksel  / Shutterstock.com

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