60. Mosbacher Kolloquium 19. - 21. März 2009:
Molecular and Cellular Mechanisms of Memory

Die gezielte Aufnahme, die anschließende Speicherung und das Abrufen von Informationen sind fundamentale Eigenschaften des Lebens, über deren zelluläre und molekulare Mechanismen allerdings erst wenig bekannt ist. Den technischen Systemen der Informationsspeicherung, die aus der modernen Lebenswelt nicht mehr wegzudenken sind, stehen biologische Systeme gegenüber, die vom Einzeller über Pflanzen und das Immunsystem bis zum menschlichen Gedächtnis reichen. Gedächtnisstörungen zählen zu den frühen und markantesten Symptomen der Demenz, deren Häufigkeit in den nächsten Jahrzehnten in den alternden westlichen Gesellschaften dramatisch zunehmen wird. Einblicke in zelluläre und molekulare Mechanismen von Lernverhalten und Gedächtnis stammen aus Verhaltensstudien an Aplysia, Drosophila und Mausmutanten, deren Kurz- und Langzeitgedächtnis deutliche Parallelen zur Informationsspeicherung bei Einzellern und Pflanzen aufweist. Thema des 60. Mosbacher Kolloquiums war der systemübergreifende Vergleich der Gedächtnisbildung in diversen biologischen Systemen und als Modell dienenden anorganischen Materialien.

Gedächtnisbildung in Materialien beruht auf der Ausbildung und Störung von kristallinen oder semikristallinen Strukturen: Wie Thomas Elsässer (Berlin) darstellte, bildet Wasser intramolekulare Netzwerke aus, die über mehrere hundert Femtosekunden Bestand haben. Durch eine Interaktion z. B. mit DNA nimmt die Lebensdauer solcher Strukturen zu. Physikalische Anhaltspunkte für ein über längere Zeit stabiles Gedächtnis von Wasser gibt es allerdings nicht. Sehr gut untersucht sind die der technischen Informationsspeicherung dienenden anorganischen Systeme: Das Formgedächtnis von Nickel-Titanlegierungen hat, wie von Gunther Eggeler (Bochum) vorgestellt, mit intravaskulären Stents, der Gefäßweitung dienenden Metallröhrchen, eine breite klinische Anwendung gefunden. Nach einer Verformung nehmen Nickel-Titanlegierungen ihre ursprüngliche Gitterstruktur wieder an. Albrecht Winnacker (Erlangen) führte aus, daß Defekte in Gitterstrukturen von Festkörpern Farbzentren ausbilden, die der technischen Bildspeicherung dienen und sich in neurale Netzwerke einbinden lassen. 

Gedächtnisbildung auf dem Niveau der Einzelzelle bildet die Grundlage der Chemotaxis. So vergleichen Bakterien während ihrer Bewegung durch einen Stoff- oder Temperaturgradienten unterschiedliche Stoffkonzentrationen oder Umgebungsbedingungen zeitabhängig miteinander. Jeffry B. Stock (Princeton) legte dar, dass die Rezeptormethylierung bei Bakterien einen Gedächtnismechanismus darstellt, mit dessen Hilfe sich das Bakterium durch die Regulation der Dauer von Zufallsbewegungen gezielt in einem Konzentrationsgradienten bewegen kann. Die Zeitdauer des chemotaktischen Gedächtnisses wird, wie Victor Sourjik (Heidelberg) darstellte, durch die Methyltransferase CheR und die Methylesterase CheB optimiert. Studien von Benjamin Kaupp (Bonn) zeigen, daß die Chemotaxis von Spermien beim Auffinden der Eizelle extrem sensitiv ist und bereits durch die Erkennung einzelner Moleküle gesteuert wird. Über eine Signalkaskade werden spannungsabhängige Calciumkanäle aktiviert, welche die Motilität der Spermienflagella steuern. Dementsprechend ist das Gedächtnis von Spermien nur kurz und auf die Dauer der intrazellulären Ca2+-Änderungen beschränkt. 

Eine deutlich längere Zeitskala decken DNA-Methylierungsprozesse bei der Gedächtnisbildung von Hefe und Pflanzen ab: Das ‘transkriptionelle Gedächtnis‘ einer Zelle, das die Expressionsmuster von Genen bestimmt, die die Zelldifferenzierung regulieren, ist überwiegend epigenetisch geprägt. Welche Bedeutung die epigenetische Vererbung der Chromatinstruktur für Methylierungen in der chromosomalen ‘Mating type region‘ und die Steuerung der verschiedenen Wachstumsformen bei Hefe besitzt, berichtete Geneviève Thon (Kopenhagen). Auf Basis ihrer Beobachtungen schlug sie ein kinetisches Modell vor, das die Ausbildung von Nucleosomen als Folge eines Gleichgewichts von DNA-Methylierungen und Histon-Acetylierungen vorhersagt. Der ‘Erinnerung‘ an den letzten Winter, die bei vielen Pflanzen erst das Austreiben im Frühling ermöglicht, steht eine generationsübergreifende Gedächtnisbildung gegenüber, die der längerfristigen Anpassung von Pflanzen an ihre Standorte dient. Mit Hilfe von auf B. thuringiensis beruhenden Reportersystemen legte Barbara Hohn (Basel) in einem beeindruckenden Vortrag dar, daß Arabidopsis thaliana auf belastende Umgebungsbedingungen wie UV-Strahlung, Salzgehalt oder Pathogene mit einem Rearrangement seiner genomischen DNA antwortet. Dieser Effekt wirkt sogar noch auf die Nachfolgegenerationen: Selbst bei Abkömmlingen von behandelten Pflanzen lässt sich eine erhöhte genomische Rekombinationsrate nachweisen. Das transgenerationale Pflanzengedächtnis konnte Jerzy Paszkowski (Genf) mit dem epigenetischen Muster der CpG-Methylierung im Löwenmaul (snap dragon) korrelieren, die sich wiederum auf die nukleäre Methylierung und Acetylierung von Histonen auswirkt. Auch die Differenzierung einzelner Zellen im pflanzlichen Organismus beruht, wie Daniel Schubert (Düsseldorf) ausführte, auf einem epigenetischen Gedächtnis: über die Methylierung von Histonen wirken Proteine der Polycomb-Gruppe als entscheidende Regulatoren der Zellentwicklung. 

Im Gegensatz zu der mit Modifikationen von Makromolekülen wie DNA oder Histonen einhergehenden Informationsspeicherung beruht die Gedächtnisbildung im Immunsystem auf einer selektiven Vermehrung spezifischer Zellpopulationen, zu denen Gedächtnis-B-Zellen, CD4-positive Gedächtnis-T-Helferzellen, CD8-positive Gedächtnis-T-Effektorzellen und, wie kürzlich nachgewiesen, auch natürliche Killerzellen gehören. Michael McHeyzer-Williams (La Jolla, CA / USA) stellte die Zelldynamik der antigenspezifischen Expansion von B-Lymphozyten dar, die über mehrere Kontrollpunkte zur Präzisierung des Immungedächtnisses beiträgt: Der initialen Antigenpräsentation durch dendritische Zellen folgt eine zweite antigenspezifische Regulation von B-Zellen durch follikuläre Helfer-T-Zellen. In der anschließenden Keimzellreaktion kommt es zur somatischen Diversifizierung und Auswahl von hochaffinen B-Zellklonen, die dann in die Gedächtniskompartimente des Immunsystems übergehen. Die klonale Re-Expansion von Gedächtnis-B-Zellen nach erneuter Antigenexposition stellt eine entscheidende Grundlage des Immungedächtnisses dar. Als wichtige Träger der Immunantwort, deren klonale Vielfalt zum Umfang des Immungedächtnisses beiträgt, wirken auch CD4-positive T-Zellen. Brigitta Stockinger (Mill Hill, London, UK) erläuterte, daß die Homöostase und der dauerhafte Erhalt des T-Zell-Gedächtnisses von der Regeneration in den Memory-Kompartimenten des Immunsystems abhängt: im Gegensatz zu naiven T-Zellen können CD4-positive Gedächtnis-T-Zellen zwar ohne den Kontakt mit syngenen MHC-Molekülen überleben, verlieren dabei aber langfristig ihre funktionelle und metabolische Prägung. Deshalb kommt es beim Menschen mit höherem Alter zu einer klonalen Kontraktion, die eine ursprünglich vorhandene Immunität gegen seltene Antigene abschwächt. Eine wesentliche Komponente der spezifischen Immunantwort ist die Immuntoleranz z.B. gegen Antigene der Nahrung, mit denen der Körper über das Blut der Portalvene und die Leber in Kontakt kommt: Studien von Percy Knolle (Bonn) haben gezeigt, daß sinusoidale Endothelzellen der Leber (LSEC) in CD8-positiven T-Zellen eine Immuntoleranz auslösen. Im Gegensatz zur klonalen Deletion, bei der die Immuntoleranz auf dem Verlust einer spezifischen Zellpopulation beruht, bleiben die durch LSEC tolerant gewordenen CD8-positiven T-Zellklone erhalten und expandieren sogar. Bei geeigneten Stimulationsbedingungen lässt sich das schlafende Immungedächtnis der CD8-positiven T-Zellen wieder aktivieren – die ursprünglich supprimierte Information ist erhalten geblieben.

Die Beziehung von entwicklungs- und verhaltensbiologischer Gedächtnisbildung wird bei Invertebraten in besonderer Weise deutlich. Michael Adams (Riverside, CA) beschrieb die Häutung von Insekten, die mit dem Abstreifen der alten Körperdecke, der Cuticula, endet, als eine angeborene Verhaltenssequenz unter Kontrolle einer Hormonkaskade. Während Steroide die Änderung der Genexpression bei der Häutung oder Ecdysis einleiten, werden die einzelnen Phasen der Häutung durch Peptidhormone (ETHs, ecdysis triggering hormones) gesteuert, deren Wirkung durch den ETH-Rezeptor (ETHR) vermittelt wird. Bei Drosophila sind die ETHR tragenden Neurone gruppenweise als ‘peptiderge Ensembles‘ angeordnet, die die Verhaltensantwort durch nachgeschaltete Freisetzung von FMRF-Amiden, Eclosionshormon, Kininen, Bursicon und anderen Peptiden verbreitern. Den angeborenen, hormonell kontrollierten Verhaltenssequenzen stehen erfahrungsabhängige Verhaltensänderungen gegenüber, wie Martin Heisenberg (Würzburg) deutlich machte. Fliegen können visuelle Hinweise mit Nahrungsquellen oder Gefahren wie Hitze assoziieren und sich später an diese Zeichen erinnern. Das Kurzzeitgedächtnis von Drosophila ist im Gehirn lokalisiert, wobei aversive and appetitive olfaktorische Konditionierung von der synaptischen Aktivität efferenter Neurone in den Pilzkörpern abhängen. Wie Mutantenversuche und genetische Deletionsstudien zeigen, konvergieren der unkonditionierte und der konditionierte Stimulus bei assoziativem olfactorischen Lernen auf der Ebene der Adenylzyklase Rutabaga (rut). Komplexe Verhaltensweisen von Drosophila demonstrierte Edward A. Kravitz (Boston, MA) in eindrucksvollen Videosequenzen. Männliche Fliegen kämpfen um Nahrungsquellen und bilden hierarchische Beziehungen aus, Verlierer entwickeln eine ‘Loser‘-Mentalität und verzichten auf die Auseinandersetzung mit ihnen aus früheren Konflikten bekannten siegreichen Gegnern. Die Entschlüsselung der zugrundeliegenden Mechanismen sollte auch für die Erforschung menschlichen Verhaltens wichtig sein.

Gedächtnisbildung, eine der zentralen Hirnleistungen von Säugetieren, geht sowohl mit Veränderungen der synaptischen Übertragung, wie sie am Beispiel der Langzeitpotenzierung (long-term potentiation, LTP) deutlich werden, als auch mit epigenetischen Veränderungen von Neuronen einher. Dietmar Kuhl (Hamburg) stellte dar, daß die zur LTP führende elektrophysiologische Stimulierung von Neuronen die Transkription von Arc/Arg3.1 und den Transport dieser Transkripte in den neuronalen Dendritenbaum induziert. Das Protein Arc/Arg3.1, das sich spezifisch an den stimulierten Postsynapsen des neuronalen Dendritenbaums anreichert, moduliert die Funktion des NMDA-Typ Glutamat-Rezeptorkomplexes und kontrolliert die Akkumulation von AMPA-Typ Glutamat-Rezeptoren an der neuronalen Zelloberfläche. Die Expression von Arc/Arg3.1 wird durch das Zinkfingerprotein ‘Zinki‘ translational reguliert. Nach Inaktivierung von Arc/Arg3.1 in Knockout-Mäusen bleibt das Kurzzeitgedächtnis bis zu einer Stunde verschont, während die langfristige Gedächtnisbildung massiv gestört ist. Veränderungen des Langzeitgedächtnisses ließen sich auch an Mäusen zeigen, die das Arc/Arg3.1-Protein zwar produzieren, dessen mRNA aber nicht in die Dendriten transportieren können. Die Überführung der kurzfristig gespeicherten Information in ein Langzeitgedächtnis hängt von der de novo Proteinsynthese im Hippokampus ab, die mit der Bildung von Neurotrophinen unter Kontrolle des mTOR-Signalweges (mammalian target of rapamycin) einhergeht, der wiederum unter Kontrolle des FK506-bindenden Proteins FKBP12 steht (Eric Klann, New York). Die genetische Inaktivierung von FKBP12 in Knockout-Mäusen fördert nicht nur die LTP und die Phosphorylierung von mTOR, sondern steigert auch Gedächtnisbildung und erhalt, wie bei verschiedenen Lernparadigmen deutlich wurde. Die Bedeutung neuronaler Netzwerke für die hippokampale Gedächtnisbildung hob der Nobelpreisträger Susumu Tonegawa (Cambridge, MA) im Rahmen der diesjährigen Feodor Lynen Lecture hervor: Die konditionale Inaktivierung von Genen in ausgewählten Neuronenklassen unterschiedlicher Regionen des Hippokampus (Area CA1 und CA3, Gyrus dentatus) bei Mäusen führte zu isolierten Defekten bei Hippokampus-abhängigen Lernparadigmen, wobei Erwerb, Speicherung und Abruf der Gedächtnisinhalte in unterschiedlicher Weise betroffen waren. Daß die selektive Inaktivierung von Rezeptorisoformen sich selektiv auf Ortsgedächtnis und räumliches Lernen auswirken kann, machte Peter Seeburg (Heidelberg) deutlich. Mäuse, bei denen die AMPA-Rezeptoruntereinheit GluA1 in den Pyramidenzellen des Hippokampus und den Körnerzellen des Gyrus dentatus zelltypspezifisch ausgeschaltet ist, versagen bei Untersuchungen der verschiedenen Formen des Ortsgedächtnisses: Sie können alte und neue Ortsmerkmale nicht mehr voneinander unterscheiden. Auch Änderungen in der Konzentration von Neurotransmittern sind für die Gedächtnisbildung von großer Bedeutung. Bei konditionalen Knockout-Mäusen führt der Verlust der neuronalen Expression des Glycintransporters GlyT1, der die Wiederaufnahme der am NMDA-Rezeptor als Koaktivator dienenden Aminosäure Glycin vermittelt, zu Störungen des Ortsgedächtnisses (Volker Eulenburg, Frankfurt/Main). 

Der synaptischen Plastizität in Lernparadigmen steht die zelluläre Reprogrammierung von Neuronen durch epigenetische Mechanismen gegenüber, wobei interessante Parallelen zu den molekularen Mechanismen der Gedächtnisbildung bei Hefen und Pflanzen deutlich werden. Christian Beisel (Zürich) stellte den Antagonismus von Proteinkomplexen der Polycomb- (PcG) und solchen der Trithorax- (TrxG) Gruppe bei der Ausbildung des Zellgedächtnisses bei Drosophila dar: Während PcG-Proteine das Silencing von Genen einleiten und aufrecht erhalten, wirken TrxG-Proteine dem entgegen und fördern die Genaktivierung. Dabei besteht eine im Detail noch unklare Wechselwirkung von Histonmodifizierungen und der Interaktion mit PcG-Response Elementen in den vom PcG/TrxG System kontrollierten Genen. Daß der transkriptionellen Aktivierung durch Remodellierung des Chromatin und Histonmodifizierungen eine Schlüsselfunktion bei der langfristigen Gedächtnisbildung zukommt, konnte Ted Abel (Philadelphia, PA) nachweisen. Das CREB-bindende Protein CBP ist eine hochaktive Histon-Acetyltransferase (HAT), die den Histon-Deacetylasen (HDAC) entgegenwirkt. Während bei Mäusen mit genetischen CBP-Defekten das Langzeitgedächtnis beeinträchtigt ist, steigern Histon-Deacetylase-Hemmer in Lernparadigmen die durch den Transkriptionsfaktor CREB beeinflußten Gedächtnisleistungen. Die Acetylierung von Histonen dürfte damit eine wichtige Voraussetzung für die langfristige Gedächtnisbildung darstellen. Wie die Arbeiten von Andre Fischer (Göttingen) zeigen, könnten sich aus der Hemmung von Histon-Deacetylasen therapeutische Ansätze für altersassoziierte Demenzen ergeben. Demgegenüber ist die zirkadiane Genregulation durch die Transkriptionsfaktoren CLOCK und CYCLE auf Phosphorylierungen dieser DNA-bindenden Proteine zurückzuführen (Frank Weber, Heidelberg). Neben der Transkriptionsregulation kommt der Kompartimentalisierung neuronaler Transkripte, an der die RNA-bindenden Proteine Staufen and Barentsz (MLN51) beteiligt sind, eine große Bedeutung zu (Michael Kiebler, Wien). Diese Proteine finden sich in neuronalen RNA-Granula, die zu Synapsen transportiert werden. Möglicherweise dienen diese RNA-haltigen Partikel als lokale Transkriptspeicher, aus denen dendritisch lokalisierte mRNAs bei neuronaler Aktvität freigesetzt und für die Translation verfügbar werden.

Einen integrativen Überblick über Lernparadigmen von Aplysia bis zu genetischen Mausmodellen gab der Pionier der molekularen Gedächtnisforschung und Nobelpreisträger Eric Kandel (New York) im Rahmen der Buchner Award Lecture. Über die Plastizität der einzelnen Synapse hinaus, wie sie ursprünglich am Beispiel des Kiemenreflexes von Aplysia charakterisiert worden war, führen längerfristige Lernvorgänge zu Veränderungen der synaptischen Verschaltungen in neuronalen Netzwerken. Diese Veränderungen gehen mit einer gesteigerten Translation und der Modifikation von Histonen einher. In diesem Vortrag wurde ebenso wie im gesamten Mosbacher Kolloquium deutlich, daß längerfristige, stabile Gedächtnisbildung in sehr unterschiedlichen biologischen Systemen auf ähnliche molekulare Mechanismen zurückgeführt werden kann: Der kurzfristigen Adaptation synaptischer Verschaltungen folgt eine längerfristige Reprogrammierung der Zelle durch epigenetische Mechanismen.