Geruchsneuronen passen sich an ihre Umgebung an

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Schnitt durch die Nasenhöhle einer Maus (Großansicht). Innerhalb der dichten Pop

Schnitt durch die Nasenhöhle einer Maus (Großansicht). Innerhalb der dichten Population von olfaktorischen Neuronen (blau) sind die olfaktorischen Neuronen, die einen bestimmten Rezeptortyp (Olfr151) exprimieren, hellgrün markiert. Madlaina Boillat

Ein Team der Universität Genf hat die sehr große Variabilität und die ständige Anpassung der olfaktorischen Neuronen aufgedeckt.

Die Geruchsrezeptoren, die sich auf der Oberfläche der sensorischen Neuronen in der Nasenhöhle befinden, erkennen Duftmoleküle und leiten diese Information an das Gehirn weiter. Wie gelingt es diesen Neuronen, eine große Vielfalt an Signalen zu erkennen und sich an unterschiedliche Stimulationsniveaus anzupassen? Ein gemeinsames Team der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät und der Medizinischen Fakultät der Universität Genf untersuchte das Genexpressionsprofil dieser Neuronen bei Vorhandensein und Abwesenheit von Duftstimulation. Die Wissenschaftler entdeckten eine ungeahnte Variabilität in diesen Profilen, je nachdem, welcher Geruchsrezeptor exprimiert wird und ob man zuvor Gerüchen ausgesetzt war. Diese Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Communications zu lesen sind, weisen auf ein breites Spektrum an Identitäten von Geruchsneuronen und deren Anpassung an die Umwelt hin.

Bei Säugetieren wird die Wahrnehmung von Gerüchen durch Millionen von olfaktorischen Neuronen vermittelt, die in der Schleimhaut der Nasenhöhle lokalisiert sind. Diese Neuronen besitzen auf ihrer Oberfläche Rezeptoren, die spezifisch an ein Geruchsmolekül binden können. Jedes olfaktorische Neuron exprimiert nur ein einziges Gen, das für einen olfaktorischen Rezeptor kodiert, der aus einem Repertoire von ca. 450 beim Menschen und 1.200 bei der Maus ausgewählt wird.

Wenn ein flüchtiges Molekül von einem Rezeptor erkannt wird, wird dieser aktiviert und erzeugt ein Signal, das an den Riechkolben im Gehirn weitergeleitet wird, ein Signal, das sich dann in einen Geruch umwandelt. Das olfaktorische System reagiert auf sehr unterschiedliche Umgebungen und muss sich sehr schnell anpassen können. Bei kontinuierlicher Stimulation durch bestimmte Duftmoleküle beispielsweise nimmt die wahrgenommene Intensität allmählich ab und verschwindet schließlich manchmal ganz.

Die Gruppe von Professor Ivan Rodriguez vom Departement für Genetik und Evolution der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät arbeitet mit der Gruppe von Professor Alan Carleton vom Departement für Neurowissenschaften zusammen.Abteilung für grundlegende Neurowissenschaften der Medizinischen Fakultät, beschäftigt sich mit den adaptiven Mechanismen von Neuronen, insbesondere von olfaktorischen Neuronen bei Mäusen. In einer früheren Studie hatten die Wissenschaftler herausgefunden, dass nach der Stimulation eines Rezeptors durch ein MolekülDuftstoffmolekül für weniger als eine Stunde die Expression des Gens, das für diesen Rezeptor kodiert, in dem Neuron abnahm, was auf einen sehr schnellen Anpassungsmechanismus hindeutet.

Neuronen mit spezifischem Profil

Die Biologen verfolgten diesen Ansatz weiter und untersuchten die Möglichkeit, dass die Anpassung an eine Geruchserfahrung nicht nur das Gen, das für den Rezeptor kodiert, sondern auch andere Gene beeinflusst. Zu diesem Zweck wurde das Profil der Gene, die vor und nach der olfaktorischen Stimulation exprimiert werden, in Tausenden von olfaktorischen Neuronen durch Sequenzierung ihrer Boten-RNA (die Moleküle, die später die Produktion von Proteinen ermöglichen) bestimmt.

Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die Boten-RNA-Profile der olfaktorischen Neuronenpopulationen der Mäuse bereits im Ruhezustand, d.h. in einer Umgebung ohne Stimulation, sehr unterschiedlich sind.Sie sind spezifisch für den Geruchsrezeptor, den sie exprimieren’, berichtet Luis Flores Horgue, Doktorand in der Abteilung für Genetik und Evolution und Erstautor der Studie. Neuronen, die denselben Rezeptor exprimieren, teilen sich also nicht nur diesen Rezeptor, sondern unterscheiden sich auch durch die Expression hunderter anderer Gene. Gene, deren Expressionsniveau offenbar durch den exprimierten Geruchsrezeptor gesteuert wird, der somit eine Doppelrolle spielt.

Ein Molekül verändert die Expression von Hunderten von Genen

Die Biologen analysierten dann die Genexpression in diesen Neuronen nach Stimulation durch Duftmoleküle. Sie beobachteten, dass diese massive Veränderungen der Genexpression in den aktivierten Neuronen auslösten. ’Während man dachte, dass die Bindung eines Duftmoleküls nur zur Aktivierung des entsprechenden Rezeptors führt, entdeckt man, dass die Geruchsneuronen ihre Identität drastisch ändern, indem sie die Expression von Hunderten von Genen nach der Aktivierung modulieren. Und diese neue Identität hängt wiederum von dem exprimierten Rezeptor ab. Wir haben es hier mit einem unerwarteten, massiven, schnellen und reversiblen Anpassungsmechanismus zu tun’, erklärt Ivan Rodriguez, Co-Letztautor der Studie.

Diese Arbeit zeigt, dass die olfaktorischen Neuronen nicht als Sensoren zu betrachten sind, die einfach von einem Ruhezustand in einen anderen übergehen.Vielmehr verändert sich ihre Identität ständig, nicht nur in Abhängigkeit vom exprimierten Rezeptor, sondern auch in Abhängigkeit von vergangenen Erfahrungen. Diese Entdeckung fügt der Komplexität und Flexibilität des Geruchssystems eine weitere Ebene hinzu. Besser zu verstehen, wie diese Identität bestimmt wird, wird die nächste Herausforderung für das Genfer Team sein.


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