Teamwork im Innenohr – unser Hören baut auf organisierte Gruppierung von Proteinen
Hören basiert auf der Umwandlung von Schall in Nervensignale. Die Schall-bedingten Schwingungen werden im Innenohr in Nervenimpulse umgewandelt, die über den Hörnerv ans Gehirn weitergeleitet und dort als Geräusche, Sprache oder Töne interpretiert werden. Die zentrale Schaltstelle dieses Vorgangs sind die Synapsen – die Kontaktstellen zwischen den Haarsinneszellen und den Hörnervenzellen. Werden die Haarsinneszellen durch Schall gereizt, öffnen sich Kalziumkanäle in der Zellmembran und Kalzium strömt ein. Dies führt zur Freisetzung eines Botenstoffes, der die Rezeptoren auf den gegenüberliegenden Hörnervenzellen aktiviert, wodurch sich ein Nervenimpuls bildet.
Göttinger Wissenschaftler*innen unter Federführung der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben erstmals die winzige Struktur von Synapsen in den inneren Haarsinneszellen untersuchen können. Mit der von Prof. Dr. Stefan Hell und Kollegen am Göttingen Campus entwickelten dreidimensionalen (3D)-MINFLUX-Nanoskopie konnten Details im Bereich weniger Nanometer, also millionstel Millimeter, sichtbar gemacht werden. Durch eine Optimierung der Probenaufbereitung konnten die Forschenden mit dieser Methode zeigen, dass sich Kalziumkanäle und bestimmte Strukturproteine in den Haarzellen in kleinen Gruppen organisieren. Diese Gruppen, auch Nanocluster genannt, ordnen sich in Form von Streifen an. Der Botenstoff wird in winzigen Membranbläschen gelagert, die von den Wissenschaftler*innen erstmals mit MINFLUX an der Synapse dargestellt werden konnten. Nach der Freisetzung in den Spalt zwischen Haarsinneszelle und Hörnervenzelle bindet der Botenstoff an die Rezeptoren der gegenüberliegenden Hörnervenzelle, die in der Form eines Ringes angeordnet sind. Diese ringförmige Formation erlaubt offenbar ein optimales Aufspüren des freigesetzten Botenstoffes. Mit biophysikalischen Simulationen konnten die Forschenden nachweisen, dass diese Nanocluster-Anordnung eine hohe Effizienz der Botenstofffreisetzung ermöglicht.
„Die organisierte Anordnung der Kalziumkanäle erhöht die Wahrscheinlichkeit der Botenstofffreisetzung. Diese Nanocluster erlauben uns offenbar, Geräusche präzise und schnell wahrnehmen zu können“, sagt Prof. Dr. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften der UMG, Sprecher des Exzellenzclusters „Multiscale Bioimaging: Von molekularen Maschinen zu Netzwerken erregbarer Zellen“ (MBExC) und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1690 „Krankheitsmechanismen und funktionelle Wiederherstellung von sensorischen und motorischen Systemen“. „Diese Arbeit liefert die fehlende molekulare Landkarte der Haarzell-Synapse und erklärt, warum sie unser schnellstes und präzisestes Sinnessystem antreibt“, so Prof. Moser.
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Originalpublikation:
Rohan Kapoor, Hyojin Kim, Evelyn Garlick, Maria Augusta do R. B. F. Lima, Klara Esch, Torben Ruhwedel, Wiebke Möbius, Fred Wolf, Tobias Moser. Charting the nanotopography of inner hair cell synapses using MINFLUX nanoscopy. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady4344
Die Zusammenarbeit erfolgte im Exzellenzcluster „Multiscale Bioimaging“ zusammen mit dem Göttingen Campus Institut für Dynamik biologischer Netzwerke der Universität Göttingen sowie dem Max-Planck-Institut (MPI) für Dynamik und Selbstorganisation und dem MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und der Göttinger Firma Abberior Instruments.
Hochauflösende Bilder im Nanometerbereich mit der 3D-MINFLUX-Nanoskopie
Die 3D-MINFLUX-Nanoskopie verbindet die molekulare Spezifität der Lichtmikroskopie mit einer Auflösung nahe der Elektronenmikroskopie. Die Forschenden etablierten eine Methode, um die Hörschnecke für die 3D-MINFLUX-Nanoskopie zugänglich zu machen. „Mit der neuen Probenaufbereitung konnten wir mit MINFLUX die Architektur der Haarzell-Synapse jetzt in nie dagewesener Detailtiefe sichtbar machen – bis hin zu einzelnen Proteinen und ihren Nanoclustern: Ein methodischer Durchbruch in der Erforschung des Hörens“, sagt Rohan Kapoor, Erstautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand am Institut für Auditorische Neurowissenschaften der UMG.
Ansprechpartner Fachbereich:
Prof. Dr. Tobias Moser, Institut für Auditorische Neurowissenschaften, Exzellenzcluster Multiscale Bioimaging (MBExC), Sonderforschungsbereich 1690, Telefon 0551 / 39-63071, tobias.moser@med.uni-goettingen.de, www.auditory-neuroscience.uni-goettingen.de
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