Optogenetik

von Julia Offe (Laborjournal-Ausgabe 5, 2010)

Es ist ein uralter Menschheits(alp)traum: Die Mächtigen sind in der Lage, Unterlegene fernzusteuern und sie gegen ihren eigenen Willen handeln zu lassen. Per Knopfdruck das Verhalten beeinflussen: was wie Science Fiction klingt, hat inzwischen einen großen Schritt von der Fiktion in Richtung Wissenschaft gemacht.

Georg Nagel, Ernst Bamberg und Kollegen vom MPI für Biophysik in Frankfurt machten 2003 den Anfang, als sie den lichtabhängigen Ionenkanal Channelrhodopsin-2 (ChR2) in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii entdeckten (PNAS 2003, 100:13940-5).

Sie erkannten das Potential dieses Proteins: wenn das ChR2 in der Alge bei Beleuchtung das Membranpotential verändert, dann könnte es das in anderen Zellen doch ebenfalls tun. Und das tat es auch. Was den Plan schließlich perfekt machte: mit dem Halorhodopsin aus Natronomonas pharaonis (NpHR), einem ägyptischen Archaebakterium, gab es auch ein lichtempfindliches Protein, das den entgegengesetzten Effekt bewirkt.


Aktivität im Dunkeln

Genau wie das Rhodopsin in Säugeraugen bestehen sowohl das ChR2 aus der Alge als auch das NpHR des Halobakte- riums aus einem Protein, dem Opsin, das kovalent an einen Chromophor gebunden ist, das Retinal. Bei Säugern ist das Rhodopsin ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor mit den für diese Rezeptorfamilie charakteristischen sieben Transmembrandomänen. Bei Licht wird eine Phosphodiesterase aktiviert, diese spaltet cGMP, woraufhin sich cGMP-aktivierte Na+-Kanäle schließen, was wiederum eine Hyperpolarisation der Photorezeptorzellen auslöst.

Im Dunkeln sind die Zellen also depolarisiert und schütten Neurotransmitter aus, im Hellen sind sie hyperpolarisiert und verhalten sich ruhig.

Ganz anders ist es beim ChR2 und beim Halorhodopsin: Auch diese beiden Proteine haben sieben Transmembrandomänen, aber das ChR2 ist ein Ionenkanal, und das NpHR ist eine Pumpe. Beim ChR2 führt das Auftreffen von Licht zu einem Einstrom der Kationen Na+, H+ und Ca2+ durch die Öffnung des Kanals und depolarisiert so die Membran. Beim Halorhodopsin ist der Effekt ein anderer: nach Lichteinfall wird Cl- in die Zelle gepumpt und die Membran damit hyperpolarisiert.


Manipulation mit Licht

Beide Proteine konnten die Forscher in eukaryotischen Zellen exprimieren. Die Rhodopsine benötigen allerdings all-trans-Retinal für ihre Funktion. Wie bekommt man das in die Zellen? Manchmal muss man einfach Glück haben: in Säugerzellen kommt das Molekül überall in ausreichender Menge vor, und bei C. elegans gibt man es einfach ins Medium und es gelangt dahin, wo es gebraucht wird.

Und was das Glück perfekt macht: Die Absorptionsspektren der beiden Proteine überschneiden sich praktisch nicht. Man hat also zwei Knöpfe auf seiner Fernbedienung: blaues Licht zum Aktivieren von ChR2 und gelbes zum Aktivieren von NpHR.

Weil durchsichtige Lebewesen sich für die Manipulation durch Licht geradezu aufdrängen, waren die ersten ferngesteuerten Lebewesen Fadenwürmer. Und siehe da: wenn die Forscher NpHR in die Muskelzellen des Wurms einbrachten, schwamm er erstmal unbekümmert vor sich hin (Nature 2007, 446:633-9). Aber wenn ihn dann ein gelber Lichtstrahl traf, wurde er sofort stocksteif! Und auch der umgekehrte Effekt funktionierte: ein Wurm mit ChR2 krümmt sich bei Blaulicht zusammen (Curr Biol. 2005, 15(24):2279-84).

Per Fernsteuerung die Würmer tanzen zu lassen, macht Spaß. Doch die beiden Proteine können noch mehr. Auch in Neuronenkulturen und virustransfizierten Neuronenpopulationen in Mäusehirnen funktioniert das System. Und damit taten sich unzählige Möglichkeiten auf, die Funktion des Gehirns zu untersuchen. Das neue Feld der Optogenetik war begründet.

Inzwischen hat die Optogenetik Forschern sogar ermöglicht, blinden Mäusen wieder zum Sehen zu verhelfen. Dazu verwendeten sie eine Mauslinie, bei der die Photorezeptoren in den ersten Lebenswochen absterben, so dass die Tiere vollständig erblinden. Beim Menschen gibt es zwei Krankheiten, bei denen die Photorezeptoren degenerieren: die Retinitis pigmentosa betrifft vornehmlich die für das Hell-Dunkel-Sehen wichtigen Stäbchen, bei der Makuladegeneration hingegen sind die für das Farbensehen notwendigen Zäpfchen betroffen.

Das Lichtsignal wird im gesunden Auge über eine Reihe von Verschaltungen an den visuellen Cortex weitergeleitet. Die Photorezeptoren geben ihr Signal zuerst an die – selbst nicht lichtempfindlichen - bipolaren Zellen weiter. Die Wissenschaftler transfizierten nun in den blinden Mäusen direkt die Bipolarzellen mit ChR2. Die Zellen reagierten jetzt auf Licht – durch die Depolarisation der Membran schütteten sie Transmitter aus und das Signal wurde bis in den visuellen Cortex weitergegeben.

Verhaltenstests zeigten, dass sich diese Mäuse in einer halb abgedunkelten, halb hellen Box so typisch unruhig verhielten wie ihre sehenden Artgenossen, während ihre blinden Verwandten ihr Verhalten in verschieden hellen Umgebungen nicht änderten (Nat Neurosci. 2008, 11:667-75).

Und was bedeutet das für den Menschen? Vielleicht ist es eines Tages möglich, blinden Menschen ihr Augenlicht wiederzugeben. Oder bei Parkinson- und Epilepsiepatienten die pathologischen Aktivitätsmuster bestimmter Hirnregionen zu beeinflussen. Oder Gelähmten Bewegungen zu ermöglichen.

All dem steht im Moment noch ein großes Problem im Weg – die somatische Gentherapie. Aber das soll hier nicht unser Thema sein.

Letzte Änderungen: 05.06.2010