Mäuse können Sauerstoff riechen

Die Nager können den Sauerstoff-Gehalt der Atmosphäre mit spezialisierten Nervenzellen in der Riechschleimhaut wahrnehmen

Über tausend olfaktorische Rezeptorgene sorgen im Erbgut von Mäusen dafür, dass die Tiere die unzähligen Gerüche in ihrer Umwelt riechen können. Forscher der Max-Planck-Forschungsstelle für Neurogenetik in Frankfurt, der Universität des Saarlandes in Homburg, der Universität Cambridge und des Karolinska Instituts in Stockholm haben entdeckt, dass Mäuse sogar den Sauerstoff-Gehalt in der inhalierten Luft mit Nervenzellen in ihrer Nase wahrnehmen können. Sie benötigen dazu die Gene Gucy1b2 und Trpc2, aber kein olfaktorisches Rezeptorgen.

original
Original 1508158411
Riechschleimhaut einer Maus unter dem Mikroskop: Die grünen Objekte zeigen die Typ-B-Zellen - also die Neuronen, die durch geringen Umgebungssauerstoff aktiviert werden. Die roten Flächen zeigen "kanonische" oder "konventionelle" olfaktorische sensorische Neuronen. In diesen Zellen wird jeweils nur eines der 1100 olfaktorischen Rezeptor-Gene im Genom exprimiert.
Riechschleimhaut einer Maus unter dem Mikroskop: Die grünen Objekte zeigen die Typ-B-Zellen - also die Neuronen, die durch geringen Umgebungssauerstoff aktiviert werden. Die roten Flächen zeigen "kanonische" oder "konventionelle" olfaktorische sensorische Neuronen. In diesen Zellen wird jeweils nur eines der 1100 olfaktorischen Rezeptor-Gene im Genom exprimiert.

Ein bestimmter Sinneszelltyp in der Riechschleimhaut von Mäusen erkennt eine Sauerstoffverringerung in der Umgebungsatmosphäre. Das ist die erste Entdeckung dieser Art, da chemorezeptive Sinneszellen normalerweise nur Konzentrationserhöhungen eines Stoffes wahrnehmen und Sauerstoffmangel bei Säugetieren primär vom Glomus caroticum, einem Sinnesorgan an den Halsschlagadern, detektiert wird, um dann das Atemzentrum zu aktivieren. Bei Mäusen, die in Erdhöhlen leben, könnte sich evolutionär also ein zusätzlicher Mechanismus entwickelt haben, mit dem sie sich und ihren Nachwuchs vor Sauerstoffunterversorgung schützen.

Die Funktion dieser sogenannten Typ-B-Zellen war bislang völlig rätselhaft. „Wir haben diese Zellen mithilfe von sauerstoffarmer Luft aktiviert und damit möglicherweise auch eine lebenswichtige Funktion dieser Zellen entdeckt“, sagt Peter Mombaerts, Direktor der Max-Planck-Forschungsstelle für Neurogenetik. Das Forscherteam untersuchte, wie sich solche Typ-B-Zellen bei verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen verhalten. Mit Hilfe eines Kalzium-sensitiven Farbstoffs beobachteten sie, dass die Typ-B-Zellen in der Riechschleimhaut bereits bei einer leichten Erniedrigung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre eine verstärkte Aktivität zeigten.

Die Wissenschaftler fanden bei Untersuchungen an genetisch veränderten Mäusen, bei denen die Gene Gucy1b2 oder Trpc2 inaktiviert wurden, dass beide Gene für die Signalübertragung innerhalb der Zellen bei Sauerstoffmangel essenziell sind. Diese zwei Gene enthalten die Informationen für ein Enzym, das den Botenstoff cGMP produziert, und für einen Ionenkanal, durch den Kalzium in die Zellen einströmen kann. Kalzium wiederum ist ein weiterer, wichtiger intrazellulärer Botenstoff. Ohne funktionierende Gucy1b2- und Trpc2-Gene werden offenbar Kalzium-abhängige Signalwege in den Typ-B-Zellen nicht aktiviert, so dass die Mäuse Sauerstoffkonzentrationen nicht unterscheiden können. Bisher ist der molekulare Sensor, der die Sauerstoffunterversorgung registriert, noch nicht bekannt. An den genauen Signalmechanismen, die zur Nervenerregung dieser Zellen führen, forschen die Wissenschaftler noch.

Die Forscher fanden außerdem, dass Mäuse sehr schnell lernen, wo sich Orte mit erniedrigter Sauerstoffkonzentration befinden und es danach vermeiden, sich an diesen Stellen aufzuhalten. Dagegen können Tiere mit einem inaktivierten Gucy1b2- oder Trpc2-Gen nicht zwischen einer normalen und leicht erniedrigten Sauerstoffkonzentration in der Außenluft unterscheiden und zeigen deshalb auch keine Vermeidungsreaktion von Orten, an denen der Sauerstoff erniedrigt ist. Die Gene sind also relevant, damit Mäuse sich frühzeitig für bestimmte Orte mit optimaler Sauerstoffkonzentration entscheiden können.

Damit haben die Typ-B-Zellen vermutlich auch einen sozialen Einfluss auf die Mäuse. So bauen diese beispielsweise ihre Nester bevorzugt an Orten höherer Sauerstoffkonzentration, um ihren Nachwuchs zu schützen, vermuten die Forscher. „Der Nachwuchs braucht genügend Sauerstoff, sonst sind die Jungtiere unterversorgt“, sagt Frank Zufall, Direktor am Centrum für Integrative Physiologie und Molekulare Medizin in Homburg.

Mäuse reagieren also noch empfindlicher auf Sauerstoffunterversorgung als Menschen. Beim Menschen sind Gucy1b2 und Trpc2 sogenannte Pseudogene, das heißt sie können höchstwahrscheinlich keine Proteine bilden. Ob diese Typ-B-Zellen beim Menschen überhaupt vorkommen und für Sauerstoffunterversorgung empfindlich sind, ist bisher ungeklärt. Die menschlichen Glomuszellen an der Halsschlagader reagieren auch auf eine Unterversorgung und schützen auch uns Menschen durch erhöhte Atmungsaktivität, bis wir unsere Lungen wieder mit der gewohnten Sauerstoffmenge gefüllt haben.

RB/BA

Weitere interessante Beiträge