Wie eine Genmutation zu höherer Intelligenz führt

Zusammenfassung: Eine seltene genetische Mutation, die Blindheit verursacht, scheint auch mit überdurchschnittlicher Intelligenz verbunden zu sein, berichtet eine neue Studie.

Quelle: Universität Leipzig

Synapsen sind die Kontaktstellen im Gehirn, über die Nervenzellen miteinander „sprechen“. Störungen dieser Kommunikation führen zu Erkrankungen des Nervensystems, da beispielsweise veränderte synaptische Proteine ​​diesen komplexen molekularen Mechanismus beeinträchtigen können. Daraus können leichte Symptome, aber auch sehr schwere Behinderungen bei den Betroffenen resultieren.

Das Interesse der beiden Neurobiologen Professor Tobias Langenhan und Professor Manfred Heckmann aus Leipzig bzw. Würzburg war geweckt, als sie in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von einer Mutation lasen, die ein synaptisches Protein schädigt.

Die betroffenen Patienten erregten zunächst die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler, weil sie durch die Mutation erblindeten. Allerdings fiel den Ärzten dann auf, dass die Patienten auch überdurchschnittlich intelligent waren.

„Es ist sehr selten, dass eine Mutation eher zu einer Verbesserung als zu einem Funktionsverlust führt“, sagt Langenhan, Professor und Inhaber eines Lehrstuhls am Rudolf-Schönheimer-Institut für Biochemie der Medizinischen Fakultät.

Die beiden Neurobiologen aus Leipzig und Würzburg verwenden seit vielen Jahren Fruchtfliegen, um synaptische Funktionen zu analysieren.

„Unser Forschungsprojekt war darauf ausgelegt, die Mutation der Patienten in das entsprechende Gen der Fliege einzubauen und mit Techniken wie der Elektrophysiologie zu testen, was dann mit den Synapsen passiert. Wir gingen davon aus, dass die Mutation Patienten so schlau macht, weil sie die Kommunikation zwischen den Neuronen verbessert, an denen das verletzte Protein beteiligt ist“, erklärt Langenhan.

„Natürlich kann man diese Messungen nicht an den Synapsen im Gehirn menschlicher Patienten durchführen. Dafür muss man Tiermodelle verwenden.“

„75 Prozent der Gene, die menschliche Krankheiten verursachen, existieren auch in Fruchtfliegen“

Zunächst zeigten die Wissenschaftler zusammen mit Forschern aus Oxford, dass das Fliegenprotein namens RIM molekular identisch mit dem des Menschen aussieht. Dies war unabdingbar, um die Veränderungen im menschlichen Gehirn in der Fliege untersuchen zu können. Im nächsten Schritt fügten Neurobiologen Mutationen in das Fliegengenom ein, die genauso aussahen wie bei den erkrankten Menschen. Anschließend nahmen sie elektrophysiologische Messungen der synaptischen Aktivität vor.

„Wir haben tatsächlich beobachtet, dass die Tiere mit der Mutation eine stark erhöhte Informationsübertragung an den Synapsen zeigten. Diese erstaunliche Wirkung auf die Fliegensynapsen findet sich vermutlich in gleicher oder ähnlicher Weise bei menschlichen Patienten und könnte deren gesteigerte kognitive Leistungsfähigkeit, aber auch ihre Erblindung erklären“, folgert Professor Langenhan.

Die Wissenschaftler fanden auch heraus, wie die verstärkte Übertragung an den Synapsen zustande kommt: Die molekularen Bestandteile in der übertragenden Nervenzelle, die die synaptischen Impulse auslösen, rücken durch den Mutationseffekt näher zusammen und führen zu einer vermehrten Ausschüttung von Neurotransmittern. Eine neuartige Methode, die hochauflösende Mikroskopie, war eine der in der Studie verwendeten Techniken.

Die Wissenschaftler fanden auch heraus, wie die verstärkte Übertragung an den Synapsen zustande kommt: Die molekularen Bestandteile in der übertragenden Nervenzelle, die die synaptischen Impulse auslösen, rücken durch den Mutationseffekt näher zusammen und führen zu einer vermehrten Ausschüttung von Neurotransmittern. Das Bild ist gemeinfrei

„Das gibt uns ein Werkzeug, um einzelne Moleküle zu betrachten und sogar zu zählen, und bestätigt, dass die Moleküle in der Brennzelle näher beieinander liegen als normalerweise“, sagt Professor Langenhan, der bei der Studie auch von der Forschungsgruppe von Professor Hartmut Schmidt unterstützt wurde das Carl-Ludwig-Institut in Leipzig.

„Das Projekt demonstriert auf wunderbare Weise, wie ein außergewöhnliches Tiermodell wie die Fruchtfliege verwendet werden kann, um ein sehr tiefes Verständnis menschlicher Gehirnerkrankungen zu erlangen. Die Tiere sind dem Menschen genetisch sehr ähnlich. Schätzungsweise 75 Prozent der Gene, die beim Menschen an Krankheiten beteiligt sind, finden sich auch in der Fruchtfliege“, erklärt Professor Langenhan und weist auf weitere Forschungen zum Thema an der Medizinischen Fakultät hin:

„Wir haben mehrere gemeinsame Projekte mit Humangenetikern, Pathologen und dem Team des Integrierten Forschungs- und Behandlungszentrums (IFB) AdipositasErkrankungen gestartet; am Universitätsklinikum Leipzig untersuchen sie Entwicklungsstörungen des Gehirns, die Entstehung bösartiger Tumore und Übergewicht. Auch hier werden wir krankheitsverursachende Mutationen in die Fruchtfliege einbringen, um menschliche Krankheiten zu replizieren und besser zu verstehen.“

Über diese Neuigkeiten aus der Genetik- und Intelligenzforschung

Autor: Susanne Huster
Quelle: Universität Leipzig
Kontakt: Susann Huster – Universität Leipzig
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Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
Die die menschliche Wahrnehmung verbessernde CORD7-Mutation erhöht die Anzahl der aktiven Zonen und die synaptische Freisetzung„Von Tobias Langenhan et al. Gehirn


Abstrakt

Die die menschliche Wahrnehmung verbessernde CORD7-Mutation erhöht die Anzahl der aktiven Zonen und die synaptische Freisetzung

Siehe auch

Diese Abbildung zeigt einen Magneten, der Neuronen steuert

Menschen, die die CORD7-Mutation (Kegel-Stäbchen-Dystrophie 7) tragen, besitzen einen erhöhten verbalen IQ und ein erhöhtes Arbeitsgedächtnis. Dieses autosomal-dominante Syndrom wird durch den Austausch einer einzelnen Aminosäure R844H (menschliche Nummerierung) verursacht, die sich im 310 Helix des C2Eine Domäne von RIMS1/RIM1 (Rab3-interagierendes Molekül 1).

RIM ist ein evolutionär konserviertes Multidomänenprotein und essentieller Bestandteil präsynaptischer aktiver Zonen, das zentral an schnellem, Ca beteiligt ist2+-ausgelöste Freisetzung von Neurotransmittern. Wie sich die CORD7-Mutation auf die Synapsenfunktion auswirkt, war bisher unklar.

Hier haben wir uns etabliert Drosophila melanogaster als Krankheitsmodell zur Klärung der Auswirkungen der CORD7-Mutation auf die RIM-Funktion und die synaptische Vesikelfreisetzung.

Zu diesem Zweck lösten wir mithilfe von Proteinexpression und Röntgenkristallographie die molekulare Struktur der Drosophila C2Eine Domäne mit einer Auflösung von 1,92 Å und im Vergleich zu ihrem Säugetier-Homolog stellte fest, dass die Position der CORD7-Mutation in Fliegen-RIM strukturell konserviert ist.

Darüber hinaus wurde CRISPR/Cas9-assisted genomic engineering für die Generierung von eingesetzt Rand Allele, die den R915H CORD7-Austausch oder R915E-, R916E-Substitutionen (Fliegennummerierung) codieren, um eine lokale Ladungsumkehr an der 310 Wendel.

Durch elektrophysiologische Charakterisierung durch Zwei-Elektroden-Spannungsklemme und fokale Aufzeichnungen stellten wir fest, dass die CORD7-Mutation eher einen semi-dominanten als einen dominanten Effekt auf die synaptische Übertragung ausübt, was zu einer schnelleren, effizienteren synaptischen Freisetzung und einer erhöhten Größe des leicht freisetzbaren Pools, aber einer verringerten Empfindlichkeit führt für den schnellen Calciumchelator BAPTA.

zusätzlich Rand Das CORD7-Allel erhöhte die Anzahl der präsynaptischen aktiven Zonen, ließ aber ihre nanoskopische Organisation unbeeinflusst, wie durch superauflösende Mikroskopie des präsynaptischen Gerüstproteins Bruchpilot / ELKS / CAST gezeigt wurde.

Wir schließen daraus, dass die CORD7-Mutation zu einer engeren Freisetzungskopplung, einer erhöhten leicht freisetzbaren Poolgröße und mehr Freisetzungsstellen führt, wodurch eine effizientere synaptische Transmitterfreisetzung gefördert wird.

Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass ähnliche Mechanismen dem Phänotyp der CORD7-Krankheit bei Patienten zugrunde liegen könnten und dass eine verstärkte synaptische Übertragung zu ihren gesteigerten kognitiven Fähigkeiten beitragen könnte.

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