Mielin

Myelin ist eine einzigartige Struktur, deren Organisation es ermöglicht, einen elektrischen Impuls mit minimalem Energieaufwand entlang einer Nervenfaser zu leiten. Die Myelinscheide ist eine hochorganisierte, mehrschichtige Struktur, die aus stark gedehnten und modifizierten Plasmamembranen von Schwann-Zellen (im PNS) und Oligodendroglia-Zellen (im ZNS) besteht.

Der Wassergehalt von Myelin beträgt etwa 40 %. Eine Besonderheit von Myelin im Vergleich zu anderen Zellen ist, dass es durchschnittlich 70 % Lipide und 30 % Proteine enthält (bezogen auf das Trockengewicht). Die meisten biologischen Membranen weisen ein höheres Protein-Lipid-Verhältnis auf.

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Myelinlipide des ZNS

Alle im Rattenhirn vorkommenden Lipide sind auch im Myelin vorhanden, d. h. es gibt keine Lipide, die ausschließlich in nicht-myelinisierten Strukturen lokalisiert sind (mit Ausnahme des spezifischen mitochondrialen Lipids Diphosphatidylglycerol). Umgekehrt gilt auch: Es gibt keine Myelinlipide, die nicht auch in anderen subzellulären Fraktionen des Gehirns vorkommen.

Cerebrosid ist der häufigste Bestandteil des Myelins. Außer in den frühesten Entwicklungsstadien ist die Cerebrosidkonzentration im Gehirn direkt proportional zur Myelinmenge. Nur ein Fünftel des gesamten Galaktolipidgehalts des Myelins liegt in sulfatierter Form vor. Cerebroside und Sulfatide spielen eine wichtige Rolle für die Stabilität des Myelins.

Myelin zeichnet sich außerdem durch hohe Konzentrationen seiner wichtigsten Lipide aus – Cholesterin, Gesamtgalaktolipide und Ethanolamin-haltiges Plasmalogen. Es wurde festgestellt, dass sich bis zu 70 % des Cholesterins im Gehirn im Myelin befinden. Da fast die Hälfte der weißen Substanz des Gehirns aus Myelin bestehen kann, ist es offensichtlich, dass das Gehirn im Vergleich zu anderen Organen den größten Cholesteringehalt aufweist. Die hohe Cholesterinkonzentration im Gehirn, insbesondere im Myelin, wird durch die Hauptfunktion des Nervengewebes bestimmt – die Erzeugung und Weiterleitung von Nervenimpulsen. Der hohe Cholesteringehalt im Myelin und die Einzigartigkeit seiner Struktur führen zu einer Verringerung des Ionenaustritts durch die Neuronenmembran (aufgrund ihres hohen Widerstands).

Phosphatidylcholin ist auch ein wesentlicher Bestandteil von Myelin, obwohl Sphingomyelin in relativ geringen Mengen vorhanden ist.

Die Lipidzusammensetzung der grauen und weißen Substanz im Gehirn unterscheidet sich deutlich von der des Myelins. Die Zusammensetzung des Hirnmyelins ist bei allen untersuchten Säugetierarten nahezu identisch; es gibt nur geringfügige Unterschiede (z. B. enthält Rattenmyelin weniger Sphingomyelin als Rinder- oder Menschenmyelin). Es gibt auch einige Variationen, abhängig von der Lokalisation des Myelins; beispielsweise weist aus dem Rückenmark isoliertes Myelin ein höheres Lipid-Protein-Verhältnis auf als Myelin aus dem Gehirn.

Myelin enthält außerdem Polyphosphatidylinositole, von denen Triphosphoinositol 4–6 % und Diphosphoinositol 1–1,5 % des Gesamtphosphors im Myelin ausmacht. Zu den Nebenbestandteilen des Myelins zählen mindestens drei Cerebrosidester und zwei glycerinbasierte Lipide; außerdem sind einige langkettige Alkane vorhanden. Säugetiermyelin enthält 0,1–0,3 % Ganglioside. Myelin enthält mehr Monosialogangliosid BM1 als in den Hirnmembranen vorkommt. Myelin vieler Organismen, einschließlich des Menschen, enthält ein einzigartiges Gangliosid, Sialosylgalactosylceramid OM4.

Myelinlipide des PNS

Die Myelinlipide des peripheren und zentralen Nervensystems sind qualitativ ähnlich, weisen jedoch quantitative Unterschiede auf. Myelin des PNS enthält weniger Cerebroside und Sulfatide und deutlich mehr Sphingomyelin als Myelin des ZNS. Interessant ist das Vorhandensein von Gangliosid-OMR, das für das Myelin des PNS einiger Organismen charakteristisch ist. Unterschiede in der Lipidzusammensetzung des Myelins des zentralen und peripheren Nervensystems sind weniger signifikant als die Unterschiede in der Proteinzusammensetzung.

Myelinproteine des ZNS

Die Proteinzusammensetzung des Myelins des ZNS ist einfacher als die anderer Hirnmembranen und besteht hauptsächlich aus Proteolipiden und basischen Proteinen, die 60–80 % der Gesamtmenge ausmachen. Glykoproteine sind in deutlich geringeren Mengen vorhanden. Das Myelin des Zentralnervensystems enthält einzigartige Proteine.

Das Myelin des menschlichen ZNS ist durch das quantitative Vorherrschen zweier Proteine charakterisiert: des positiv geladenen kationischen Myelinproteins (Myelin Basic Protein, MBP) und des Myelin-Proteolipidproteins (Myelin Proteolipid Protein, PLP). Diese Proteine sind die Hauptbestandteile des Myelins im ZNS aller Säugetiere.

Myelinproteolipid PLP (Proteolipidprotein), auch Folch-Protein genannt, ist in organischen Lösungsmitteln löslich. Das Molekulargewicht von PLP beträgt ca. 30 kDa (Da – Dalton). Seine Aminosäuresequenz ist äußerst konservativ, das Molekül bildet mehrere Domänen. Das PLP-Molekül enthält drei Fettsäuren, üblicherweise Palmitin-, Öl- und Stearinsäure, die über eine Esterbindung mit Aminosäureresten verbunden sind.

ZNS-Myelin enthält etwas geringere Mengen eines anderen Proteolipids, DM-20, benannt nach seinem Molekulargewicht (20 kDa). Sowohl DNA-Analysen als auch die Aufklärung der Primärstruktur haben gezeigt, dass DM-20 durch die Abspaltung von 35 Aminosäureresten vom PLP-Protein entsteht. DM-20 erscheint früher in der Entwicklung als PLP (in manchen Fällen sogar vor Myelin); neben seiner strukturellen Rolle bei der Myelinbildung wird angenommen, dass es an der Differenzierung von Oligodendrozyten beteiligt ist.

Entgegen der Annahme, dass PLP für die Bildung von kompaktem multilamellarem Myelin notwendig ist, verläuft die Myelinbildung bei PLP/DM-20-Knockout-Mäusen mit nur geringfügigen Abweichungen. Diese Mäuse haben jedoch eine verkürzte Lebenserwartung und eine eingeschränkte allgemeine Mobilität. Im Gegensatz dazu haben natürlich vorkommende Mutationen in PLP, einschließlich seiner erhöhten Expression (normale PLP-Überexpression), schwerwiegende funktionelle Folgen. Es ist zu beachten, dass signifikante Mengen an PLP- und DM-20-Proteinen im ZNS vorhanden sind, die Boten-RNA für PLP auch im PNS vorhanden ist und eine kleine Menge des Proteins dort synthetisiert, aber nicht in das Myelin eingebaut wird.

Das Myelin-Kationprotein (MCP) hat aufgrund seiner antigenen Natur die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen – wenn es Tieren verabreicht wird, verursacht es eine Autoimmunreaktion, die sogenannte experimentelle allergische Enzephalomyelitis, die ein Modell einer schweren neurodegenerativen Erkrankung ist – Multiple Sklerose.

Die Aminosäuresequenz von MBP ist in vielen Organismen hoch konserviert. MBP befindet sich auf der zytoplasmatischen Seite der Myelinmembranen. Es hat ein Molekulargewicht von 18,5 kDa und weist keine Anzeichen einer Tertiärstruktur auf. Dieses Hauptprotein zeigt bei der Elektrophorese unter alkalischen Bedingungen Mikroheterogenität. Die meisten untersuchten Säugetiere enthielten unterschiedliche Mengen von MBP-Isoformen, die einen signifikanten gemeinsamen Teil der Aminosäuresequenz aufweisen. Das Molekulargewicht von MBP bei Mäusen und Ratten beträgt 14 kDa. Niedermolekulares MBP hat an den N- und C-terminalen Teilen des Moleküls die gleiche Aminosäuresequenz wie der Rest von MBP, unterscheidet sich jedoch in der Reduktion von etwa 40 Aminosäureresten. Das Verhältnis dieser Hauptproteine ändert sich während der Entwicklung: Ausgewachsene Ratten und Mäuse haben mehr MBP mit einem Molekulargewicht von 14 kDa als MBP mit einem Molekulargewicht von 18 kDa. Zwei weitere Isoformen von MBP, die ebenfalls in vielen Organismen vorkommen, haben Molekulargewichte von 21,5 bzw. 17 kDa. Sie entstehen durch Anfügen einer etwa 3 kDa schweren Polypeptidsequenz an die Hauptstruktur.

Die elektrophoretische Trennung von Myelinproteinen zeigt Proteine mit höherem Molekulargewicht. Ihre Menge hängt vom Organismus ab. Mäuse und Ratten können beispielsweise bis zu 30 % der Gesamtmenge solcher Proteine enthalten. Der Gehalt dieser Proteine ändert sich auch mit dem Alter des Tieres: Je jünger es ist, desto weniger Myelin enthält sein Gehirn, aber desto mehr Proteine mit höherem Molekulargewicht enthält es.

Das Enzym 2' 3'-zyklische Nukleotid-3'-Phosphodiesterase (CNP) macht mehrere Prozent des gesamten Myelinproteingehalts in ZNS-Zellen aus. Dies ist deutlich mehr als in anderen Zelltypen. Das CNP-Protein ist nicht der Hauptbestandteil von kompaktem Myelin; es konzentriert sich nur in bestimmten Bereichen der Myelinscheide, die mit dem Zytoplasma der Oligodendrozyten assoziiert sind. Das Protein ist im Zytoplasma lokalisiert, ein Teil davon ist jedoch mit dem Membranzytoskelett – F-Aktin und Tubulin – assoziiert. Die biologische Funktion von CNP könnte darin bestehen, die Zytoskelettstruktur zu regulieren, um Wachstums- und Differenzierungsprozesse in Oligodendrozyten zu beschleunigen.

Myelin-assoziiertes Glykoprotein (MAG) ist ein Nebenbestandteil von gereinigtem Myelin, hat ein Molekulargewicht von 100 kDa und kommt im ZNS in geringen Mengen vor (weniger als 1 % des Gesamtproteins). MAG besitzt eine einzelne Transmembrandomäne, die den hochglykosylierten extrazellulären Teil des Moleküls, bestehend aus fünf immunglobulinähnlichen Domänen, von der intrazellulären Domäne trennt. Seine Gesamtstruktur ähnelt der des neuronalen Zelladhäsionsproteins (NCAM).

MAG kommt nicht in kompaktem, multilamellarem Myelin vor, sondern befindet sich in den periaxonalen Membranen von Oligodendrozyten, die Myelinschichten bilden. Die periaxonale Membran des Oligodendrozyten ist der Plasmamembran des Axons am nächsten, dennoch verschmelzen diese beiden Membranen nicht, sondern sind durch einen extrazellulären Spalt getrennt. Diese Besonderheit der MAG-Lokalisation sowie die Zugehörigkeit dieses Proteins zur Immunglobulin-Superfamilie bestätigen seine Beteiligung an den Prozessen der Adhäsion und Informationsübertragung (Signalisierung) zwischen Axolemm und myelinbildenden Oligodendrozyten während der Myelinisierung. Darüber hinaus ist MAG ein Bestandteil der weißen Substanz des Zentralnervensystems, der das Neuritenwachstum in Gewebekulturen hemmt.

Unter den anderen Glykoproteinen der weißen Substanz und des Myelins ist das kleine Myelin-Oligodendrocytäre Glykoprotein (MOG) hervorzuheben. MOG ist ein Transmembranprotein mit einer einzigen immunglobulinähnlichen Domäne. Im Gegensatz zu MAG, das in den inneren Myelinschichten lokalisiert ist, ist MOG in den Oberflächenschichten lokalisiert, wodurch es an der Übertragung extrazellulärer Informationen an den Oligodendrozyten beteiligt ist.

Geringe Mengen charakteristischer Membranproteine (z. B. Tubulin) können mittels Polyacrylamid-Gelelektrophorese identifiziert werden. Die hochauflösende Elektrophorese zeigt weitere kleinere Proteinbanden; diese können auf das Vorhandensein verschiedener Myelinscheidenenzyme zurückzuführen sein.

Myelinproteine des PNS

PNS-Myelin enthält einige einzigartige Proteine sowie einige Proteine, die mit ZNS-Myelinproteinen gemeinsam sind.

P0 ist das Hauptprotein des PNS-Myelins mit einem Molekulargewicht von 30 kDa und macht mehr als die Hälfte der PNS-Myelinproteine aus. Interessanterweise unterscheidet es sich zwar von PLP in Aminosäuresequenz, posttranslationalen Modifikationswegen und Struktur, ist aber für die Strukturbildung des ZNS- und PNS-Myelins gleichermaßen wichtig.

Der MBP-Gehalt im Myelin des PNS beträgt 5-18 % des Gesamtproteins. Im ZNS hingegen erreicht sein Anteil ein Drittel des Gesamtproteins. Dieselben vier Formen des MBP-Proteins mit Molekulargewichten von 21, 18,5, 17 und 14 kDa, die im Myelin des ZNS vorkommen, sind auch im PNS vorhanden. Bei erwachsenen Nagetieren ist MBP mit einem Molekulargewicht von 14 kDa (gemäß der Klassifikation peripherer Myelinproteine wird es als „Pr“ bezeichnet) der wichtigste Bestandteil aller kationischen Proteine. Im Myelin des PNS ist auch MBP mit einem Molekulargewicht von 18 kDa vorhanden (in diesem Fall wird es als „Protein P1“ bezeichnet). Es ist zu beachten, dass die Bedeutung der MBP-Proteinfamilie für die Myelinstruktur des PNS nicht so groß ist wie für die des ZNS.

PNS-Myelin-Glykoproteine

Das kompakte Myelin des PNS enthält ein 22 kDa großes Glykoprotein namens peripheres Myelinprotein 22 (PMP-22), das weniger als 5 % des Gesamtproteingehalts ausmacht. PMP-22 besitzt vier Transmembrandomänen und eine glykosylierte Domäne. Dieses Protein spielt keine bedeutende strukturelle Rolle. Allerdings sind Anomalien im pmp-22-Gen für einige vererbte menschliche Neuropathologien verantwortlich.

Vor Jahrzehnten glaubte man, Myelin bilde eine inerte Hülle ohne biochemische Funktion. Später entdeckte man jedoch eine Vielzahl von Enzymen im Myelin, die an der Synthese und dem Stoffwechsel von Myelinkomponenten beteiligt sind. Eine Reihe von Enzymen im Myelin sind am Stoffwechsel von Phosphoinositiden beteiligt: Phosphatidylinositolkinase, Diphosphatidylinositolkinase, die entsprechenden Phosphatasen und Diglyceridkinasen. Diese Enzyme sind aufgrund der hohen Konzentration an Polyphosphoinositiden im Myelin und ihres schnellen Stoffwechsels von Interesse. Es gibt Hinweise auf das Vorhandensein von muskarinischen cholinergen Rezeptoren, G-Proteinen, Phospholipasen C und E sowie Proteinkinase C im Myelin.

Im Myelin des PNS wurden Na/K-ATPase, die monovalente Kationen transportiert, und 6'-Nukleotidase gefunden. Das Vorhandensein dieser Enzyme deutet darauf hin, dass Myelin aktiv am axonalen Transport beteiligt sein könnte.