Spulwürmer verändern den Materialfluss in und aus ihrem Mund als Reaktion auf helles Licht und offenbaren Neuronen eine neue Möglichkeit, Muskelzellen zu kontrollieren.
Dem Spulwurm C. elegans fehlen Augen und die lichtabsorbierenden Moleküle, die zum Sehen erforderlich sind. Es kann jedoch die unangenehm schmeckenden Chemikalien spüren, die durch Licht erzeugt werden, und hört auf zu essen. MIT-Wissenschaftler untersuchten C. elegans, um die neuronalen Schaltkreise und Muskelbewegungen zu bestimmen, die zum Spucken erforderlich sind. Bildnachweis: Raleigh McElvery
Seit über einem Jahrzehnt wissen Forscher, dass der Spulwurm Caenorhabditis elegans kann trotz fehlender Augen und der für das Sehen erforderlichen lichtabsorbierenden Moleküle kurzwelliges Licht erkennen und vermeiden. Als Doktorand im Horvitz-Labor schlug Nikhil Bhatla eine Erklärung für diese Fähigkeit vor. Er beobachtete, dass die Lichteinwirkung die Würmer nicht nur dazu brachte, sich wegzuwinden, sondern sie auch dazu veranlasste, mit dem Fressen aufzuhören. Dieser Hinweis führte ihn zu einer Reihe von Studien, die darauf hindeuteten, dass seine sich windenden Probanden das Licht überhaupt nicht sahen – sie entdeckten die schädlichen Chemikalien, die es produzierte, wie Wasserstoffperoxid. Bald darauf erkannte das Horvitz-Labor, dass Würmer die unangenehmen Chemikalien, die Licht erzeugt, nicht nur schmecken, sondern sie auch ausspucken.
Nun, in einer Studie veröffentlicht in eLife, berichtet ein Team unter der Leitung des jüngsten Doktoranden Steve Sando PhD '20 über den Mechanismus, der dem Spucken zugrunde liegt C. elegans. Einzelne Muskelzellen gelten allgemein als die kleinsten Einheiten, die Neuronen unabhängig steuern können, aber die Ergebnisse der Forscher stellen diese Annahme in Frage. Im Fall des Spuckens stellten sie fest, dass Neuronen spezialisierte Unterregionen einer einzelnen Muskelzelle steuern können, um mehrere Bewegungen zu erzeugen.
Ein Spulwurm spuckt, nachdem er dem übel schmeckenden Wasserstoffperoxid ausgesetzt wurde, das durch helles Licht erzeugt wird. Bildnachweis: Steve Sando
„Steve machte die bemerkenswerte Entdeckung, dass die Kontraktion einer kleinen Region einer bestimmten Muskelzelle von der Kontraktion des Rests derselben Zelle entkoppelt werden kann“, sagt H. Robert Horvitz, Professor für Biologie bei David H. Koch [Eingebetteten Inhalt]
Nachdem er dem Projekt beigetreten war, stellte Sando fest, dass die Würmer weder rülpsten noch weiter kauten. Stattdessen trieben die „Burst-Pumpen“ das Material in die entgegengesetzte Richtung, aus dem Mund in die lokale Umgebung, anstatt weiter zurück in den Rachen und Darm. Mit anderen Worten, das schlecht schmeckende Licht verursachte das Spucken von Würmern. Sando verbrachte dann Jahre damit, seine Probanden mit hellem Licht um das Mikroskop zu jagen und ihre Aktionen in Zeitlupe aufzuzeichnen, um die für dieses Verhalten erforderlichen neuronalen Schaltkreise und Muskelbewegungen zu lokalisieren.
„Die Entdeckung, dass die Würmer spuckten, war für uns ziemlich überraschend, denn der Mund schien sich zu bewegen wie beim Kauen“, sagt Sando. „Es stellte sich heraus, dass man wirklich heranzoomen und die Dinge verlangsamen musste, um zu sehen, was vor sich geht, weil die Tiere so klein sind und das Verhalten so schnell abläuft.“
Um zu analysieren, was im Rachenraum passiert, um diese Spuckbewegung zu erzeugen, verwendeten die Forscher einen winzigen Laserstrahl, um einzelne Nerven- und Muskelzellen chirurgisch aus dem Mund zu entfernen und festzustellen, wie sich dies auf das Verhalten des Wurms auswirkte. Sie überwachten auch die Aktivität der Zellen im Mund, indem sie sie mit speziell entwickelten fluoreszierenden „Reporter“-Proteinen markierten.
Sie sahen, dass sich während des Fressens des Wurms drei Muskelzellen in Richtung der Vorderseite des Pharynx, die pm3s genannt werden, zusammenziehen und in synchronen Impulsen zusammen entspannen. Sobald der Wurm jedoch leicht schmeckt, werden die der Mundvorderseite am nächsten liegenden Teilbereiche dieser Einzelzellen in einem Zustand der Kontraktion verriegelt, wodurch die Mundvorderseite geöffnet und Material herausgeschleudert werden kann. Dies kehrt die Fließrichtung des aufgenommenen Materials um und wandelt die Nahrungsaufnahme in Spucken um.
Das Team stellte fest, dass dieses „Entkopplungsphänomen“ von einem einzelnen Neuron im hinteren Teil des Wurmmunds kontrolliert wird. Diese Nervenzelle namens M1 stimuliert einen lokalisierten Einstrom von Kalzium am vorderen Ende des pm3-Muskels, der wahrscheinlich für das Auslösen der subzellulären Kontraktionen verantwortlich ist.
M1 gibt wichtige Informationen wie eine Telefonzentrale weiter. Es empfängt eingehende Signale von vielen verschiedenen Neuronen und überträgt diese Informationen an die am Spucken beteiligten Muskeln. Sando und sein Team vermuten, dass die Stärke des eingehenden Signals das Verhalten des Wurms auf den Geschmack von Licht abstimmen kann. Ihre Ergebnisse deuten beispielsweise darauf hin, dass ein widerlicher Geschmack ein kräftiges Spülen des Mundes hervorruft, während ein leicht unangenehmes Gefühl den Wurm sanfter spucken lässt, gerade genug, um den Inhalt auszustoßen.
Sando glaubt, dass der Wurm in Zukunft als Modell verwendet werden könnte, um zu untersuchen, wie Neuronen Unterregionen von Muskelzellen auslösen, um das Verhalten einzuengen und zu formen – ein Phänomen, von dem sie vermuten, dass es bei anderen Tieren auftritt, möglicherweise auch beim Menschen.
„Wir haben im Wesentlichen einen neuen Weg für ein Neuron gefunden, um einen Muskel zu bewegen“, sagt Sando. „Neuronen orchestrieren die Bewegungen von Muskeln, und dies könnte ein neues Werkzeug sein, mit dem sie eine ausgeklügelte Art der Kontrolle ausüben können. Das ist ziemlich aufregend.“
Referenz: „Ein Sanduhr-Schaltungsmotiv transformiert ein motorisches Programm über subzellulär lokalisierte Muskelkalziumsignalisierung und -kontraktion“ von Steven R. Sando, Nikhil Bhatla, Eugene LQ Lee und H. Robert Horvitz, 2. Juli 2021, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.59341
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