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Tintenfisch

Photography by Elaine L. Bearer and Russell E. Jacobs at Marine Biological Laboratory, Woods HoleTintenfische werden bereits seit den 1930er Jahren zur Erforschung der Eigenschaften von Nervenzellen verwendet und haben viel zu unserem Wissen über das Nervensystem beigetragen. Der Riesenaxon des Tintenfischs ist die größte bekannte Nervenzelle im Tierreich. Er kann bis zu 1 mm Durchmesser besitzen und beinahe 1 m lang sein. Der Axon ist Teil des Antriebssystems des Tintenfisches, verläuft vom Ganglion bis zu den Muskeln und transportiert Signale, die die Bewegungen des Tieres kontrollieren und koordinieren. Der Hohlraum des Mantels des Tintenfisches ist normalerweise mit Wasser gefüllt. Die koordinierte Kontraktion des Muskels funktioniert wie ein Jet-Antriebssystem, das das Wasser herauspresst und den Tintenfisch mit bis zu 10 m/s durch das Wasser schnellen lässt.

Tintenfische sind Weichtiere mit einem hochentwickelten Sensoren- und Nervensystem und komplexen Augen und Gehirn. Trotz der offensichtlichen Unterschiede zwischen Tintenfisch und Mensch hat die These, dass unser Nervensystem auf die gleiche Weise funktioniert, zu gewaltigen Fortschritten unseres Wissens über Neurophysiologie geführt.

Ihr Nervensystem wurde erstmals vom Zoologen John Zachary Young und dem Physiologen Kenneth Cole während der 1930er Jahre analysiert. Zu dieser Zeit wurden die elektrischen Signale des Nervensystems mit Hilfe von Fröschen oder Krebsen studiert. Der Riesenaxon des nordatlantischen Tintenfisches Loligo pealeii ist jedoch 50 Mal größer als der Axon des gemeinen Krebses und 1.000 Mal größer als die des Menschen.

Diese Größe lässt die Anbringung von Elektroden im Inneren des Axons zu, so dass man gleichzeitig innerhalb und außerhalb der Zelle Beobachtungen anstellen und die Veränderungen des Stromflusses durch die Zellmembran beim Feuern des Nervs messen kann. Diese Arbeit inspirierte Hodgkin and Huxleys berühmte Experimente am Riesenaxon des L pealeii im Marinelabor des britischen Plymouth. Sie zeigten auf, wie die Bewegung ionischer Ladungen durch eine Zellmembran ein elektrisches Signal auslöst, dass durch die Nervenfasern fährt. Sie erhielten 1963 den Nobelpreis für diese Arbeit, die die Grundlage der modernen Neurophysiologie darstellt.

Es kann Jahre dauern, bevor man einen Tintenfisch bekommt, da diese nicht in Gefangenschaft gehalten oder gezüchtet werden können und nur selten in Küstennähe vordringen. Seit der Eröffnung des Laboratoriums der Zellphysiologie in Montemar, Chile, im Jahr 1962, erforschten Elektrophysiologen auch den Humboldt-Kalmar, Dosidicus gigas, eine der größten Spezies der Erde und doppelt so groß wie der nordatlantische Tintenfisch. Obwohl die Erfindung der 'Patch-Clamp' Technik Elektrophysiologen mittlerweile auch die Arbeit an Säugetieren ermöglicht, bleibt der Tintenfisch das beste Modell für viele Studien des Nervensystems.

Neuronale Transportmechanismen

Der Transport von Molekülen vom Zellkörper einer Neurone den Axon entlang ist für die Funktion und das Überleben der Zelle essentiell. Die Erforschung des Transports in den Axon von L pealeii ergab, dass biologisches Material nur durch ein einziges Peptid geladen und auf sein Ziel ausgerichtet wird. Dieses Peptid ist Teil des Amyloid Precursor Proteins, von dem man annimmt, dass es eine Rolle bei der Alzheimerschen Krankheit spielt.

Das Amyloid-Precursor-Protein (APP) ist eine Komponente der Plaques, die sich während der Alzheimerschen Krankheit im Gehirn bilden. Man weiß, dass Mutationen dieses Proteins zu einem frühzeitigen Ausbruch von Alzheimer führen, aber bisher wusste man relativ wenig über seine Rolle in gesunden Zellen. Um die Rolle von APP innerhalb des axonalen Transports zu untersuchen, beschichtete Elaine Bearer von der Brown Universität fluoreszierende Mikroperlen mit den verschiedenen Peptiden, aus denen APP besteht und injizierte diese in den Axon eines Riesentintenfischs.

Der große Axon in Tintenfischen bietet Forschern die Möglichkeit, sich bewegende Zellkomponenten zu sehen und das Material im Axon zu manipulieren, während die Transportprozesse noch intakt und funktionstüchtig sind. Die Experimente mit sieben verschiedenen Peptiden ergaben Folgendes: Ein APP-C trieb die Perlen den Axon hinunter bis zur Synapse.

Ein APP-C in Tintenfischen ist mit dem äquivalenten Peptid in Würmern, Fruchtfliegen und Menschen beinahe identisch, was zur Annahme führt, dass es eine ähnliche Rolle beim neuronalen Transport in allen Tieren spielt. Ein APP-C konnte bei diagnostischen Studien zur Bestimmung, wieviel Transport bei Demenz  unterbrochen wurde, als Tag verwendet werden, um Medikamente zu den Synapsen zu transportieren. Darum könnte es ein Wirkstoffziel für Medikamente gegen Alzheimer, Huntingdon und andere Erkrankungen sein, bei denen der Nerventransport zusammenbricht.

Struktur von Rhodopsin im Tintenfisch

Tintenfische haben ein exzellentes Sehvermögen, welches ihnen die Beutejagd ermöglicht. Rhodopsin ist ein Protein, das sich in der Membran Licht detektierender Photorezeptor-Zellen in der Netzhaut befindet. Die Netzhaut der Tintenfische und die der Menschen und anderer Säugetiere haben zahlreiche Eigenschaften gemeinsam. Wenn Licht auf die Photorezeptor-Zelle trifft, ändert Rhodopsin seine Form und kann dadurch ein G-Protein aktivieren, das wiederum biochemische Veränderungen in der Zelle auslöst.

Die Struktur dieses Botenproteins und die biochemischen Veränderungen, die es in Tintenfischen auslöst, unterscheiden sich von denen, die in Wirbeltieren entdeckt wurden. Das aktivierte Protein ist anderen Proteinen ähnlich, die als biochemische Boten von vielen Hormonen und Neurotransmittern im Menschen genutzt werden. Diese Art von Protein ist ein Wirkstoffziel für viele Medikamente, zum Beispiel Antihistaminika, jedoch war ihre genaue Struktur bisher unklar.

Die Kristallstruktur von Tintenfisch-Rhodopsin zeigt im Detail, wie das Protein zur Veränderung seiner Form in der Lage ist und welche seine Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit den Wirbeltier-Rhodopsinen sind, die bisher untersucht wurden. Es zeigt, wie Rhodopsin Licht absorbiert und welche die Höchstmenge ist, die es absorbieren kann. Die Struktur wird auch hilfreich sein, um Medikamente zu entwerfen, die diese Art von Rezeptor beeinflussen.

Diese Forschung wird besonders nützlich für die Wissenschaftler sein, die menschliches Melanopsin untersuchen, ein weiterer Photorezeptor, der für die Einstellung unserer biologischen Uhr und den Reflex unserer Pupillen verantwortlich ist. Melanopsin ist näher verwandt mit Tintenfisch-Rhodopsin als mit dem  Wirbeltier-Rhodopsin, das man im Menschen vorfindet.


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