Architektur myelinisierter Axone

Der Begriff Myelin für die Umhüllung von Axonen geht auf den Pathologen Rudolf Virchow im Jahr 1854 zurück. Die Beschreibung von Oligodendrozyten als zelluläre Quelle von Myelin geschah aber erst 1922 durch Pio Del Rio-Hortega. Seitdem ist durch ultrastrukturelle, molekulare und physiologische Untersuchungen die Architektur myelinisierter Axone recht gut verstanden (Abb. 1). Jeder Oligodendrozyt bildet Dutzende Myelinsegmente (Internodien), von denen jedes einzelne aus einer dicht gepackten, flächigen Zellmembran besteht, die wiederholt um das Axon gewickelt ist. Die Myelinisierung des gesamten Axons erfolgt dadurch, dass verschiedene Oligodendrozyten jeweils einzelne Internodien konsekutiv entlang der Länge des Axons aneinanderreihen. Zwischen jedem einzelnen Internodium entsteht so eine nicht myelinisierte Lücke, der Ranvier’sche Schnürring, wo sich spannungsabhängige Na⁺-Ionenkanäle konzentrieren, die für die Reizleitung im Axon wichtig sind. So entsteht die charakteristische Struktur myelinisierter Axone (Abb. 1). Durch die dicht gepackte Myelinmembran ist das Axon von der Umgebung elektrisch isoliert. Daraus resultiert ein erhöhter Membranwiderstand, wodurch das Axon über eine längere Strecke bei geringerem Spannungsabfall depolarisiert wird. Das hat zur Folge, dass die Axonmembran mit den an Ranvier‘schen Schnürringen konzentrierten Na⁺-Kanälen auch in vielfach größerer Entfernung als bei unmyelinisierten Axonen noch genügend depolarisiert wird, um ein neues Aktionspotenzial auszulösen. So scheint das Aktionspotenzial von einem Schnürring zum Nächsten zu „springen“. Myelinisierung ermöglicht Leitungsgeschwindigkeiten von bis zu 100m/s, wobei diese u. a. von der Dicke und der Länge der Myelinschichten abhängen.

Abb. 1:

Zelluläre Architektur myelinisierter Axone im Zentralnervensystem A Schemadarstellung eines myelinisierten Axons (magenta), eines myelinisierenden Oligodendrozyten (grün), und einer Oligodendrozyten-Vorläuferzelle (blau). B Schemadarstellung eines myelinisierten Axons im Querschnitt. C Vergleich von kontinuierlicher (oben) und saltatorischer (unten) Reizweiterleitung. Im Gegensatz zur kontinuierlichen Reizweiterleitung werden bei der saltatorischen Reizweiterleitung lediglich an den Ranvier‘schen Schnürringen Aktionspotenziale generiert. D Schemadarstellung eines myelinisierten Axons im Längsschnitt um den Ranvier’schen Schnürring.

Adaptive Myelinisierung zur Regulation von Nervensystemfunktion

Mathematisch ist es möglich, die optimalen Parameter für möglichst schnelle Reizweiterleitung zu bestimmen, die von der Dicke des Axons, des Myelins, und der Distanz zwischen zwei Ranvier’schen Schnürringen abhängen. In der Natur weichen Myelinisierungsmuster aber zum Teil erheblich von rechnerisch optimalen Parametern ab, um einen zeitlich präzise koordinierten Informationsfluss zu erreichen. Ein gut studiertes Beispiel hierfür ist das auditorische System der Mongolischen Wüstenrennmaus, in dem das zeitlich präzise Ankommen von akustischen Signalen im auditorischen Hirnstamm durch die Variierung der Internodienlänge reguliert ist (Ford et al., 2015). Dieses Beispiel verdeutlicht, wie Myelinisierungsmuster für die Regulation von axonaler Funktion genutzt werden können.

Neben solchen hochspezifischen Mustern sind kürzlich komplett atypische Formen der Myelinisierung beschrieben worden. So zeigen Pyramidenneurone im Mauskortex oft nur eine partielle Myelinisierung mit langen unmyelinisierten Abschnitten (Tomassy et al., 2014). Was solche Muster für die Funktion des Axons bedeuten, ist derzeit noch völlig unklar. Es ist aber in diesem Zusammenhang interessant festzuhalten, dass variable Myelinisierung bei Mechanismen des Lernens eine Rolle spielt. So verursacht das Erlernen einer neuen motorischen Fähigkeit, wie zum Beispiel Jonglieren, beim Menschen Veränderungen in der weißen Substanz. Auch können Mäuse keine komplexen Motortests lernen, wenn die Bildung neuen Myelins genetisch blockiert wurde (McKenzie et al., 2014). Zusammen weist dies darauf hin, dass aktive Kommunikation zwischen Axon und umgebenden Oligodendrozyten ein zusätzliches regulatorisches Element höherer Nervensystemfunktion ist.

Unterstützung axonalen Überlebens

Das Ermöglichen schneller Reizweiterleitung ist nicht die einzige Aufgabe myelinisierender Zellen. Durch die enge zelluläre Interaktion des Axons mit den umgebenden Oligodendrozyten ist es nicht nur elektrisch isoliert, sondern auch von anderen umgebenden Zellen abgeschirmt, wie zum Beispiel Astrozyten, über welche Neurone mit Blutgefäßen verbunden sind. Neurone können sehr lange Axone haben, sodass der zugehörige Zellkörper (bei großen Wirbeltieren) zum Teil über einen Meter entfernt liegt. Um den hohen Energiebedarf für die Generierung von Aktionspotenzialen lokal bedienen zu können, versorgen myelinisierende Oligodendrozyten Axone mit Metaboliten aus dem Glykolysestoffwechsel (Saab et al., 2013). Damit sichern sie auch das langfristige Überleben von Axonen. In der Tat scheint es so, dass eine fehlende oder gestörte metabolische Unterstützung durch Oligodendrozyten zu axonaler Degeneration bei verschiedenen Erkrankungen beiträgt, zum Beispiel, wenn demyelinisierte Axone bei MS nicht remyelinisiert werden.

Der aktuelle Stand der Wissenschaft zeigt, wie wichtig myelinisierende Oligodendrozyten als Unterstützer und Modulatoren axonaler Funktion sind. Aber was reguliert, wenn ein Axon nach welchem Muster myelinisiert wird? Wie plastisch sind diese Vorgänge, und was sind die Ursachen für deren Deregulierung in Krankheitsprozessen? Hier gibt es noch große Wissenslücken bezüglich grundlegender Fragen, die die Kommunikation zwischen diesen zwei Zelltypen betreffen.

Da die Interaktionen zwischen Axon und Oligodendrozyt sowohl eine Zell-intrinsische, als auch -extrinsische regulatorische Komponente haben, ist es wichtig, diese unter möglichst physiologischen Bedingungen in vivo zu untersuchen. Myelinisierung ist entwicklungsbiologisch ein relativ spätes Ereignis, welches sich über lange Zeiträume hinziehen kann. Das macht es in vielen Tiermodellen technisch schwierig, die Dynamik zellulärer Interaktionen und deren genetische Kontrolle zu untersuchen. Zebrafische stellen einen Modellorganismus dar, mit dem man diese technischen Limitationen zum Teil überwinden kann, wie wir es in der zweiten Hälfte dieses Artikels vorstellen möchten.

Visualisierung zellulärer Dynamik durch in vivo Mikroskopie von fluoreszierenden Reportern

Die geringe Größe und die optische Transparenz machen junge Zebrafische zu einem hervorragenden Modell für in vivo Lichtmikroskopie. Kontinuierliche technologische Fortschritte ermöglichen, bis an die Auflösungsgrenzen klassischer Lichtmikroskopie in das Innere des Nervensystems zu blicken. Da dies problemlos in lebenden Zebrafischen geschehen kann, ist es möglich, Zellen im selben Tier zu verschiedenen Zeitpunkten abzubilden, um so Informationen über strukturelle Veränderungen zu erhalten (siehe Exkurs für eine Übersicht relevanter Mikroskopaufbauten, Abb. 3). Um Subtypen von Neuronen und Gliazellen im lebenden Zebrafisch darzustellen, werden diese häufig durch sogenannte transgene Reporter markiert. Ein typisches Transgen besteht aus einer regulativen Gensequenz, welche die Expression eines Reporterproteins steuert (Abb. 2). Letzteres können fluoreszierende Proteine sein, wie das grün fluoreszierende Protein GFP und dessen Varianten, die in verschiedenen Farben des sichtbaren Spektrums fluoreszieren. Es können so aber auch andere, zum Beispiel mutante Proteine exprimiert werden, um Zellfunktionen zu manipulieren. Durch Injektion von Transgenkonstrukten in Zebrafischeier können so individuelle Zellen im entwickelnden Organismus mit verschiedenen Farbkombinationen dargestellt und untersucht werden. Wenn ein Transgen in Zellen der Keimbahn integriert wird, wird dieses später bei Fortpflanzung der Adulten an die Folgegeneration weitergegeben, wodurch ein komplett transgener Organismus entsteht, in dem zum Beispiel alle Zellen eines Zelltyps markiert sind (Abb. 2). So wurden von uns und anderen in der Vergangenheit eine Reihe transgener Reagenzien entwickelt, um mit verschiedenen genregulatorischen Sequenzen fluoreszierende Proteine zu exprimieren, und so spezifisch Oligodendrozyten, deren Vorläuferzellen, sowie myelinisierte Axone zu visualisieren [siehe (Czopka, 2016) für eine detaillierte Übersicht publizierter Linien, die Oligodendrozytenbiologie im Zebrafisch untersuchen]. Durch in vivo Mikroskopie im Zebrafisch konnten wir so zum Beispiel dazu beitragen, die lange ungelöste Frage zu beantworten, wie genau Oligodendrozyten Myelin bilden. Obwohl die Struktur von Myelin seit Jahrzehnten bekannt ist, blieben die zellulären Grundlagen der Myelinmorphogenese völlig unbekannt. Im Zebrafisch konnten wir die Initiierung einzelner Internodien untersuchen und dadurch zeigen, dass jede neue Myelinschicht in der Mitte des zukünftigen Internodiums zugefügt wird, von wo aus sie anschließend lateral expandiert und das mehrschichtige Internodium bildet (Snaidero et al., 2014). Dabei handelte es sich um die ersten Demonstrationen der Myelinmorphogenese in vivo. Dies ist ein gutes Beispiel, um zu verdeutlichen, wie Lebendzellmikroskopie im Zebrafisch – zusammen mit genetischen und ultrastrukturellen Arbeiten – helfen kann, grundsätzliche biologische Mechanismen aufzuklären.

Abb. 3:

Prinzipielle Aufbauten häufig genutzter Mikroskopsysteme für Lebendzellmikroskopie

Woher kommt neues Myelin?

ZNS-Axone können über einen langen Zeitraum der Entwicklung eines Organismus myelinisiert werden, beim Menschen in einigen Gehirnregionen bis ins vierte Lebensjahrzehnt. Gleichzeitig kann jeder einzelne Oligodendrozyt eine Vielzahl von Internodien generieren, deren genaue Zahl kann durch axonale Parameter reguliert werden. Elegante in vivo Mikroskopiestudien im Zebrafisch haben bereits gezeigt, dass Oligodendrozyten Vorläuferzellen ihre Zellfortsätze kontinuierlich und hochdynamisch verändern (Kirby et al., 2006). Wann aber ein einzelner Oligodendrozyt seine Zielaxone zur Myelinisierung festlegt, war lange Zeit unverstanden. So wäre es durchaus plausibel, dass einzelne Oligodendrozyten lebenslang plastisch bleiben und damit die Aktivität der Axone, die sie myelinisieren, je nach Bedarf dynamisch regulieren. Um diese Möglichkeit zu testen, haben wir hochauflösende Zeitraffer- und Langzeitaufnahmen von Oligodendrozyten im Zebrafisch gemacht. Dadurch konnten wir zeigen, dass jeder einzelne Oligodendrozyt seine maximale Zahl an generierten Myelinsegmenten in einem kurzen Zeitfenster von nur wenigen Stunden festlegt (Abb. 4) (Czopka et al., 2013). Danach verlieren myelinisierende Oligodendrozyten die Möglichkeit, neue Internodien zu formen.

Die Existenz eines kurzen Zeitfensters zur Myelingenerierung für jede einzelne Zelle bedeutet unter anderem, dass neues Myelin nur von neu differenzierenden Oligodendrozyten-Vorläuferzellen kommen kann. Diese repräsentieren mit ca. 5 % aller Zellen (in der Maus) einen substanziellen Anteil. Welche Rolle(n) diese Zellen aber genau spielen, ist noch nicht klar. Oligodendrozyten-Vorläuferzellen sind auch die zelluläre Quelle bei der Regenerierung von geschädigtem Myelin. Remyelinisierung ist einer der wenigen regenerativen Prozesse in unserem ZNS, trotzdem funktioniert sie oft schlechter als die primäre Myelinisierung. Das manifestiert sich auch in Erkrankungen wie Multipler Sklerose, wo Remyelinisierung mit zunehmender Krankheitsdauer letztendlich oft ganz ausbleibt. Wenn es die gleichen Oligodendrozyten-Vorläuferzellen sind, die Axone myelinisieren und remyelinisieren, warum ist Remyelinisierung dann weniger effizient? Auf diese Frage wird es wahrscheinlich keine einfache Antwort geben, insbesondere, weil Krankheitsbilder oft multifaktorielle Ursachen und Einflüsse haben. Allerdings es ist möglich, Aspekte solcher Fragen auch im Zebrafischmodell zu testen, um Verständnis grundsätzlicher zellulärer Verhaltensweisen und deren molekularer Kontrolle zu erhalten.

Abb. 4:

Erkenntnisse und offene Fragen zur Regulierung der Bildung und Aufrechterhaltung myelinisierter Axone