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Einzeller ohne Gehirn behält Erinnerung selbst nach der Zellteilung
Ein Einzeller ohne Nervensystem kann sich an wiederholte Reize gewöhnen und diesen Zustand bei der Zellteilung an seine Tochterzellen weitergeben. Experimente mit Stentor coeruleus zeigen, dass Kalziumsignale und Veränderungen an vorhandenen Proteinen dabei eine Schlüsselrolle spielen. Überraschend scheint vor allem das Vergessen neue Proteinsynthese zu benötigen.
San Francisco (U.S.A.). Stentor coeruleus ist nur eine einzelne Zelle, kann aber auf mechanische Reize reagieren und sein Verhalten an wiederholte Störungen anpassen. Wird der trompetenförmige Einzeller immer wieder angestoßen, zieht er sich zunächst zusammen und reagiert mit der Zeit immer seltener, eine einfache Lernform, die als Habituation bezeichnet wird.
Bei Tieren wird Lernen meist über Nervenzellen und Synapsen untersucht, doch Stentor besitzt weder Nervensystem noch Gehirn. Damit stellt sich die grundlegende Frage, wie eine einzelne Zelle einen früheren Reiz in ihrem molekularen Zustand speichern und diese Information bei späteren Reizen wieder wirksam werden lassen kann.
Forscher der University of California, San Francisco (UCSF) um Wallace Marshall haben dafür Stentor-Zellen in Petrischalen regelmäßig mechanisch gereizt und ihre Kontraktionen aufgezeichnet. Parallel blockierten sie mit Puromycin oder Cycloheximid die Proteinsynthese und erwarteten, dass dies die Gedächtnisbildung ähnlich wie bei vielen tierischen Modellen schwächen würde. Stattdessen lernten die behandelten Zellen schneller, auf die wiederholten Reize nicht mehr zu reagieren, und behielten diesen Zustand länger bei.
„Normalerweise denken wir, dass Lernen aus großen Netzwerken von Neuronen entstehen muss. Aber diese einzelnen Zellen können Verhaltensweisen zeigen, die wir normalerweise mit Kognition und Gehirnen verbinden“, sagt Wallace Marshall.
Die Proteinblockade verhinderte die Erinnerung damit nicht, sondern verschob vor allem die Dynamik von Lernen und Erholung. Nach den Versuchen scheint vielmehr die Rückkehr in den empfindlichen Ausgangszustand neue Proteine zu benötigen, sodass eine Zelle ohne laufende Proteinsynthese den habituierten Zustand länger beibehält. Die Autoren deuten dies als Hinweis darauf, dass bei Stentor vor allem das Wiederansprechen auf den mechanischen Reiz von neu hergestellten Proteinen abhängt.
„Lange haben wir angenommen, dass die Bildung einer Erinnerung bedeutet, ein Molekül herzustellen, und Vergessen bedeutet, es zu verlieren. Hier scheint es anders zu funktionieren“, erklärt Wallace Marshall.
Proteom- und Transkriptomanalysen lieferten weitere Hinweise auf den zugrunde liegenden Mechanismus, denn mehrere veränderte Kandidaten gehören zu Signalwegen, die Kalzium wahrnehmen oder Proteine durch Phosphatgruppen regulieren. Besonders auffällig waren ein EF-Hand-Protein sowie Enzyme aus den Gruppen der Kinasen und Phosphatasen, die den Aktivitätszustand anderer Proteine verändern können.
Eine gezielte Verringerung der Genexpression für das kalziumbindende Protein SteCoe_6763 durch RNA-Interferenz beschleunigte die Habituation, während zusätzliches Kalzium im Umgebungsmedium das Lernen ebenfalls verbesserte. Der Wirkstoff KN-93 bremste die Habituation dagegen deutlich und wirkte damit in dieselbe Richtung wie in verschiedenen tierischen Lernmodellen. KN-93 hemmt unter anderem die calciumabhängige Kinase CaMKII, greift aber auch an Kalziumkanälen und weiteren Zielproteinen an, weshalb das Ergebnis nur als Hinweis auf eine Beteiligung dieses Signalwegs gelten kann.
Das Arbeitsmodell der Forscher geht davon aus, dass wiederholte mechanische Reize den Zustand von Rezeptoren an der Zelloberfläche verändern. Kalziumabhängige Kinasen und Phosphatasen könnten dabei bestimmen, wie empfindlich diese Mechanorezeptoren auf weitere Stöße reagieren und wie schnell die Zelle anschließend wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt. Welche Rezeptoren und Proteinmodifikationen die Erinnerung tatsächlich tragen, ist bislang jedoch nicht geklärt.