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Gedächtnisschwäche von alten Fruchtfliegen

Wie ein Protein das Gedächtnis kontrolliert

| Redakteur: Christian Lüttmann

Drosophila-Fliege im Erinnerungstest: Wenn das schwarze Ablenkobjekt auf dem Bildschirm verschwindet, muss die Fliege sich an ihr ursprüngliches Ziel erinnern.
Drosophila-Fliege im Erinnerungstest: Wenn das schwarze Ablenkobjekt auf dem Bildschirm verschwindet, muss die Fliege sich an ihr ursprüngliches Ziel erinnern. (Bild: AG Strauss, Johannes Gutenberg Universität)

Nicht nur beim Menschen lässt das Gedächtnis mit zunehmendem Alter nach. Auch Tiere wie die Fruchtfliege entwickeln eine altersabhängige Gedächtnisschwäche. Im mittleren Lebensalter zwischen 30 und 40 Tagen zeigen die Insekten Defizite beim Geruchsgedächtnis und der kurzfristigen Orientierung. Wissenschaftler der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) fanden nun heraus, dass bei Fruchtfliegen ein Protein für die Gedächtnisleistung entscheidend ist, das auch bei der Alzheimer-Krankheit eine wichtige Rolle spielt.

Mainz – Fruchtfliegen können sich recht gut daran erinnern, wo sie eigentlich hin wollten, nachdem sie zwischenzeitlich von ihrem Ziel abgelenkt wurden. Ihr visuelles Arbeitsgedächtnis speichert die Richtung für etwa vier Sekunden.

Neurobiologen um Prof. Dr. Roland Strauss von der JGU haben nun junge und alte Fruchtfliegen einem Test unterzogen: Sie zeigten den Tieren in einer kreisförmigen Versuchsanordnung einen Orientierungspunkt. Sobald der erste Orientierungspunkt verschwindet, richtet sich die Fliege auf den neu erscheinenden zweiten Punkt aus. Verschwindet dieser zweite Orientierungspunkt ebenfalls, dann sind junge Fliegen zu etwa 80 Prozent in der Lage, sich an die Position ihres ursprünglichen Zielpunkts zu erinnern und bewegen sich darauf zu. Ältere Fliegen hatten dagegen Probleme: Tiere im Alter von vier Wochen hatten ein deutlich schwächeres Gedächtnis und im Alter von sechs Wochen einen kompletten Erinnerungsverlust.

Proteinspaltung als Schlüssel zum Gedächtnis?

„Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich das visuelle Arbeitsgedächtnis mit dem Alter verschlechtert“, sagt Franziska Rieche, Erstautorin der Studie. „Wir haben darüber hinaus entdeckt, dass dieser Gedächtnisabbau unterbunden werden kann.“ Zentrale Rolle spielt hier ein Protein, das beim Menschen als Amyloid-Vorläuferprotein oder Amyloid Precursor Protein, kurz APP, bezeichnet wird. Drosophila verfügt in ihren Nervenzellen über ein APP-ähnliches Protein.

Wie Rieche zeigt, geht der Verfall des Arbeitsgedächtnisses bei zunehmendem Alter mit einer vermehrten Spaltung des Gesamtproteins in Teilproteine einher. Die Bruchstücke lagern sich als eine Art Plaque ab und stören die Funktion der Nervenzellen.

Wurde die APP-Spaltung im Experiment vermindert, hatten auch alte Fliegen noch ein perfektes Gedächtnis. Umgekehrt ging der Gedächtnisverfall schneller vonstatten, wenn die Spaltung beschleunigt wurde. Verantwortlich dafür sind drei Enzyme, sogenannte Sekretasen, die das Protein in Fragmente zerlegen. Je mehr Enzyme vorhanden sind, desto mehr Fragmente entstehen, die dem Gedächtnis schaden.

Auswirkungen von APP auf das Gedächtnis

„Die Art und Weise, wie das Vollprotein von den Enzymen zu Fragmenten gespalten wird, erfolgt bei Drosophila ganz ähnlich wie beim menschlichen APP“, so Rieche. Beim Menschen wird das ß-Amyloid, ein Spaltprodukt von APP, für die Bildung von Plaques bei Alzheimer verantwortlich gemacht.

Für eine gute Funktion des Kurzzeitgedächtnisses bei der Fruchtfliege ist also das APP-ähnliche Protein in voller Länge nötig. Versuche mit einer Proteinvariante, die nicht zerschnitten werden kann, verhinderten dementsprechend den Gedächtniszerfall.

Rieche hat außerdem einen Wirkmechanismus gefunden, wonach das APP-ähnliche Protein den so genannten Fasziklin-II-Rezeptor in der Zellmembran unterdrückt. Umgekehrt wird diese Unterdrückung durch Spaltprodukte des APP-ähnlichen Proteins vermindert, was dann den Gedächtnisabbau in Gang setzt.

Uraltes Erbe: das System der Gedächtnisregulation

„Es ist absolut erstaunlich, dass sich solch ein System der Gedächtnisregulation über 580 Millionen Jahre bis heute konserviert hat“, bemerkt Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Roland Strauss zu der großen Ähnlichkeit des Mechanismus, einschließlich der Proteine und Sekretasen, bei Drosophila und beim Menschen. Vor etwa 580 Millionen Jahren haben sich die beiden Stammbäume getrennt. Strauss merkt außerdem an, dass die jetzigen Ergebnisse zur natürlichen Funktion speziell auf das visuelle Arbeitsgedächtnis der Fruchtfliegen zutreffen, das sich in 40 Ringneuronen, 20 in jeder Gehirnhälfte, befindet.

„Das Spannende ist jetzt herauszufinden, welche Prozessierung andere Gedächtnisformen benötigen“, so Strauss. „Wir arbeiten aktuell am Langzeitgedächtnis, dessen Zellen kein Fasziklin enthalten und das daher einen anderen Wirkmechanismus aufweisen muss.“ Die präzise Regulation von APP-ähnlichem Protein scheint jedenfalls für alle Gedächtnisformen wichtig zu sein, auch wenn sie unterschiedliche Anforderungen an die Prozessierung stellen.

Orginalpublikation: F. Rieche et al.: Drosophila Full-Length Amyloid Precursor Protein Is Required for Visual Working Memory and Prevents Age-Related Memory Impairment. Current Biology, 22. Februar 2018, DOI: 10.1016/j.cub.2018.01.077

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