Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin

Neu entdeckte Funktion von Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem

Autoren
Nave, Klaus-Armin
Abteilungen
Abteilung Neurogenetik
Zusammenfassung
Die Myelinisierung neuronaler Axone durch Oligodendrozyten dient der Erhöhung der Leitgeschwindigkeit und gehört zu den komplexesten Interaktionen von Zellen im zentralen Nervensystem. Wissenschaftler des MPI entdeckten eine neue Funktion der Oligodendrozyten, die Unterstützung des Stoffwechsels von Axonen. Genetische Experimente in der Maus zeigen, dass es sich dabei um den Transfer von energiereichen Metaboliten handelt, die von glykolytischen Oligodendrozyten am Axon freigesetzt werden. Bei erblichen und erworbenen Myelinerkrankungen spielt dieser Transfer eine wichtige Rolle.

Einleitung

Das Nervensystem ist ein Netzwerk aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen). Diese kommunizieren über lange Fortsätze (Axone) und die Information wird in Form von elektrischen Impulsen übertragen, die entlang der Axone zu weit entfernten Synapsen auf Zielneuronen gelangen. Myelin, eine mehrlagige Membran, isoliert das Axon elektrisch und erhöht damit seine Leitgeschwindigkeit auf bis zu 100 Meter pro Sekunde [1]. Myelin wird von hochspezialisierten Gliazellen, den Oligodendrozyten, gebildet, die ihre eigene Zellmembran spiralig um jeweils kurze Abschnitte des Axons wickeln – diese Umwicklung bildet dann die kompakte Struktur der Myelinscheide [2].

Die Myelinscheiden können bis zu einem halben Millimeter lang werden und noch deutlich länger im peripheren Nervensystem, wo eine vergleichbare Aufgabe von den sog. Schwannzellen übernommen wird. Zwischen den einzelnen myelinisierten Segmenten bleiben "Ranvier'sche Schnürringe" offen, an denen elektrische Aktionspotenziale entstehen. Die Myelinisierung langer Axone durch Oligodendrozyten erlaubt es dem Gehirn, sehr viel schneller zu arbeiten und gleichzeitig eine sehr kompakte Bauweise zu behalten. Ohne Myelinisierung wäre die Leistung des menschlichen Gehirns nicht denkbar. Ein Großteil der myelinisierten Axone erkennt man als "weiße Substanz" unterhalb der Großhirnrinde (Cortex), die etwa 50 Prozent des menschlichen Gehirns ausmacht [1]. Störungen der Myelinisierung führen zu schwersten Entwicklungsstörungen (Leukodystrophien) und zur Beeinträchtigung wesentlicher motorischer, sensorischer und kognitiver Fähigkeiten. Krankheiten, die das Myelin in der weißen Substanz angreifen, können auch später erworben werden, wie zum Beispiel die Multiple Sklerose. Die Erforschung der Biologie des Myelins ist auch vom Wunsch geprägt, entsprechende neurologische und psychiatrische Krankheiten besser zu verstehen.

Lange Axone und Myelin entstehen durch extreme zelluläre Spezialisierung

Allein aufgrund der Länge ihrer Axone sind die Neurone extrem spezialisierte Zellen. Ein typisches Neuron misst nur 15 Mikrometer im Durchmesser, aber sein nur ein Mikrometer starkes Axon kann einen Meter lang sein, d. h. weit mehr als 99 Prozent des Zellvolumens sind im Axon lokalisiert – und damit in weiter Entfernung vom Zellkörper, in dem fortwährend die genetische Information ausgelesen wird. Da aber neuronale Informationsübertragungen am Ende des Axons geschehen, muss das Neuron über diese Entfernung Synapsen mit Proteinen beliefern.

Die elektrischen Signale des Axons sowie die Transportvorgänge innerhalb der Axone kosten Energie. Diese muss aus der Verbrennung energiereicher Substanzen (z. B. Glukose) gewonnen werden, die dem Gehirn über den Kreislauf zufließen. Schon kurzzeitige Energiedefizite können zum Funktionsverlust eines Axons führen. Lange Axone sind deshalb eine Art "Flaschenhals" für die Funktion des Nervensystems.

In allen Entwicklungsstufen des Gehirns sind Axone mit Gliazellen assoziiert. Zwar gab es die Vermutung, dass Gliazellen die Neurone irgendwie "unterstützen", aber die zugrunde liegenden Mechanismen waren kaum bekannt [3]. Die Myelinisierung von Axonen war praktisch die einzige gesicherte Funktion von Oligodendrozyten und Schwannzellen (in peripheren Nerven). Die "saltatorische", also sprunghafte Erregungsleitung myelinisierter Axone gehört sogar zu den bestverstandenen Konzepten der Neurophysiologie. Aber der genaue Ablauf der Myelinisierung – die vielleicht spektakulärste Interaktion von zwei Zellen im Nervensystem überhaupt – war bis vor kurzem unverstanden. Arbeiten in der Gruppe von Mikael Simons am MPI für experimentelle Medizin haben jetzt durch die Kombination verschiedener licht- und elektronenmikroskopischer Techniken in unterschiedlichen Systemen (Fisch, Maus und Zellkultur) diesen spiraligen Wachstumsvorgang der Oligodendrozytenfortsätze bis ins Detail aufklären können [2]. Dabei ist die Myelinbildung essenziell an eine hohe Konzentration von zellulärem Cholesterin geknüpft [4].

Die Myelinscheide des Axons stellt aber nicht nur eine elektrische, sondern auch eine effiziente physische Isolierung dar. Die axonale Oberfläche ist über 99 Prozent von Myelin abgedeckt. Deshalb ist es nicht leicht verständlich, wie etwa die Energiegewinnung eines myelinisierten Axons aufrechterhalten wird, wenn der Zustrom von Metaboliten durch das Myelin selbst ausgebremst wird [3].

Oligodendrozyten produzieren mehr als Myelin

Myelin ist eine mehrlagige kompakte Struktur, die aus der oligodendroglialen Zellmembran hervorgeht, aber daneben gibt es ein Netzwerk von Kanälen aus nicht kompaktem Myelin, das die Myelinscheide begleitet und eine Fortsetzung des Zytosols der Oligodendrozyten darstellt [3]. Es handelt sich dabei um die gleichen Kanäle, die in der Entwicklung den erforderlichen Transport von Membranvesikeln zur Wachstumszone des Myelins an der Spitze des Gliazellfortsatzes ermöglichen, der sich spiralig um das Axon verlängert [2].  Diese Beobachtungen wurden erst durch Methoden der Hochdruck-Kryopräparation von myelinisierten Nerven möglich. Mit dieser Methode lassen sich  die meisten Artefakte einer chemischen Fixierung und konventionellen Probeneinbettung vermeiden, unter anderem der Kollaps dieses ausgedehnten Systems zytosolischer Kanäle im Myelin [2; 3].

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Original 1508157172
Abb. 1: Oligodendrozyten myelinisieren Axone – hier im Querschnitt gezeichnet – und verfügen über Monocarboxylat-Transporter (MCT1) für die Versorgung von Axonen mit Glykolyseprodukten.
Abb. 1: Oligodendrozyten myelinisieren Axone – hier im Querschnitt gezeichnet – und verfügen über Monocarboxylat-Transporter (MCT1) für die Versorgung von Axonen mit Glykolyseprodukten.

Durch die zytosolischen Kanäle des Myelins, die auch im adulten Nervensystem zum Teil weiter bestehen, bleibt die Oligodendrozyte metabolisch mit dem Innenraum der Myelinscheide, der inneren Lippe verbunden, der dem Axon eng anliegt. Dort kommt es zum Übertritt von Metaboliten aus dem Zytosol der Oligodendrozyten in das Lumen des Axons. An dieser Stelle wurden mit Hilfe immun-elektronenmikroskopischer Techniken zum Beispiel Monocarboxylat-Transporter (MCT) lokalisiert, die dem Austausch von Glykolyseprodukten, etwa der Milchsäure (Laktat), dienen.

Tatsächlich haben die Wissenschaftler um Klaus-Armin Nave in den letzten Jahren eine Modellvorstellung entwickelt, nach der Oligodendrozyten über zytosolische Kanäle myelinisierte Axone mit energiereichen Metaboliten versorgen können [3]. Sie gehen davon aus, dass die myelinisierenden Gliazellen aus dem Extrazellularraum Glukose aufnehmen, die z. B. über die Bluthirnschranke und Astrozyten dorthin gelangt ist. Glukose kann allerdings nicht direkt an das Axon weitergegeben werden, sondern wird zunächst durch oligodendrogliale Enzyme zerlegt (Glykolyse). Die dabei entstehende Milchsäure diffundiert durch die zytosolischen Kanäle bis an das Axon heran und gelangt durch die Monocarboxylat-Transporter in das Axon hinein, in dem die eigentliche Energiegewinnung (ATP) durch neuronale Mitochondrien erfolgt.

Der Übertritt von Milchsäure aus der Oligodendrozyte in das myelinisierte Axon ist technisch nur schwer nachzuweisen, da es sich um Distanzen im Nanometerbereich handelt und die Metaboliten nicht markiert gemacht werden können. Die Göttinger Wissenschaftler konnten aber diesen Mechanismus mit Hilfe eines genetischen Tricks indirekt darstellen. Dazu wurden Mausmutanten erzeugt, in denen Oligodendrozyten selektiv die Fähigkeit verloren haben, die bei der Glykolyse entstehende Milchsäure in eigenen Mitochondrien zur Energiegewinnung zu nutzen (Inaktivierung des COX10-Gens). Überraschenderweise sind diese Mäuse mit ihren mutanten Oligodendrozyten völlig unauffällig und langlebig, was den Schluss nahelegt, dass die reifen Oligodendrozyten ohnehin keinen großen Bedarf an mitochondrialer Energiegewinnung haben, sondern ihren Energiebedarf in Form von ATP aus der Glykolyse selbst beziehen können. Dafür müssen sie aber in der Lage sein, die entstandene Milchsäure abzugeben, was durch Diffusion in die myelinisierten Axone geschieht. Wenn man experimentell die weitere Verarbeitung dieser Milchsäure im Gehirn blockiert, was z. B. durch die Gabe von bestimmten Anästhetika (Isofluran) der Fall ist, dann erhöht sich der Milchsäurespiegel im Gehirn. Dieser kann durch Methoden der Protonen-Magnetresonanzspektroskopie (3H-MRS) relativ genau bestimmt werden und liegt unter den Bedingungen einer solchen Anästhesie bei den Mausmutanten des COX10-Gens fast doppelt so hoch wie in Tieren ohne Mutation [5]. Wird das Anästhetikum daraufhin gewechselt und die unspezifische Hemmung der mitochondrialen Atmung fällt weg, sinkt der messbare Milchsäurespiegel innerhalb weniger Minuten in allen Gehirnen auf nicht nachweisbare Konzentrationen herab, und zwar unabhängig vom Genotyp der Tiere (Abb. 1).

Das bedeutet, dass die fortwährend in Oligodendrozyten entstehende Milchsäure sehr schnell in den Mitochondrien derjenigen Zellen, die mit Oligodendrozyten metabolisch gekoppelt sind, abgebaut wird. Dies sind zumindest teilweise die myelinisierten Axone, wie experimentell an isolierten Präparaten des optischen Nervs gezeigt wurde [5]. Damit wurde eine völlig neuartige Funktion von Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem sehr wahrscheinlich, nämlich die der direkten metabolischen Unterstützung von elektrisch aktiven Axonen. Die Bedeutung dieses Systems für die Funktion und das physische Überleben der myelinisierten Axone im Gehirn wurde in der Arbeitsgruppe von Jeff Rothstein (Baltimore) auch genetisch bestätigt. Heterozygote Mausmutanten, denen eine Kopie des Gens für den Laktat-Transporter MCT1 fehlt und die deshalb 50 Prozent weniger Laktat an Axone abgeben können, entwickeln zunehmend axonale Schäden und Degeneration [6]. Diese Neuropathologie erinnert dabei stark an die früheren Befunde im Mausmodell einer Leukodystrophie des Menschen (Pelizaeus-Merzbacher Krankheit), bei der sekundär axonale Schwellungen auftraten und Degenerationen von Axonen zu einem unheilbar progressiven Krankheitsverlauf führten [7; 8].

Literaturhinweise

1.
Nave, K.-A.
Myelination and support of axonal integrity by glia
Nature 468, 244-252 (2010)
2.
Snaidero, N.; Möbius, W.; Czopka, T.; Hekking, L.H.P.; Mathisen, C.; Verkleij, D.; Goebbels, S.; Edgar, J.; Merkler, D.; Lyons, D. A.; Nave, K.-A.; Simons, M.
Myelin membrane wrapping of CNS axons by PI(3,4,5)P3-dependent polarized growth at the inner tongue
Cell 156, 277–290 (2014)
3.
Nave, K.-A.
Myelination and the trophic support of long axons
Nature Reviews Neuroscience 11, 275-283 (2010)
4.
Saher,G.; Brugger, B.; Lappe-Siefke, C.; Möbius, W.; Tozawa ,R.; Wehr, M. C.; Wieland, F.; Ishibashi, S.; Nave, K.-A.
High cholesterol level is essential for myelin membrane growth
Nature Neuroscience 8, 468-475 (2005)
5.
Fünfschilling, U.; Supplie, L. M.; Mahad, D.; Boretius, S.; Saab, A. S.; Edgar, J.; Brinkmann, B. G.; Kassmann, C. M.; Tzvetanova, I. D.; Möbius, W.; Diaz, F.; Meijer, D.; Suter, U.; Hamprecht, B.; Sereda, M. W.; Moraes, C. T.; Frahm, J.; Goebbels, S., Nave, K.-A.
Glycolytic oligodendrocytes maintain myelin and long-term axonal integrity
Nature 485, 517-521 (2012)
6.
Lee, Y. et al.
Oligodendroglia metabolically support axons and contribute to neurodegeneration
Nature 487, 443-448 (2012)
7.
Griffiths, I.; Klugmann, M.; Anderson, T.; Yool, D.; Thomson, C.; Schwab, M. H.; Schneider, A.; Zimmermann, F.; McCulloch, M.; Nadon, N.; Nave, K.-A.
Axonal swellings and degeneration in mice lacking the major proteolipid of myelin
Science 280, 1610-1613 (1998)
8.
Saher, G.; Rudolphi, F.; Corthals, K.; Ruhwedel, T.; Schmidt, K. F.; Löwel, S.; Dibaj, P.; Barrette, B.; Möbius, W.; Nave, K.-A.
Therapy of Pelizaeus-Merzbacher disease in mice by feeding a cholesterol-enriched diet
Nature Medicine 18, 1130-1135 (2012)
9.
Saab, A.; Tzvetanova, I.; Nave, K.-A.
The role of myelin and oligodendrocytes in axonal energy metabolism
Current Opinion in Neurobiology 23, 1065-1072 (2013)
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