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pix Lehrstuhl für Zellphysiologie
Prof. Dr. Dr. Dr. habil. Hanns Hatt
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RUB » Lehrstuhl für Zellphysiologie » Einleitung
pix pix Wie Zellen Düfte erkennen

„Ich kann Dich nicht riechen", dieser Ausspruch zeigt, dass der Geruchssinn nicht allein Tausende von Düften unterscheiden kann. Er löst auch Stimmungen und Emotionen aus. Heute wissen wir, was geschieht, wenn ein Duftmolekül auf die Riechzellen trifft, und bald wird die „künstliche Nase" Gefahr signalisieren oder den verlorenen Geruchssinn ersetzen können.

Bevor Lebewesen sehen und hören konnten, waren sie in der Lage zu riechen. In 500 Millionen Jahren der Evolution war es der Geruchssinn, der dem Gehirn ein wichtiges Fenster zur Welt geöffnet hat, der informierte, was essbar ist oder giftig, welches der richtige Sexualpartner ist und der zu Orientierung, Warnung und Sozialverhalten beitrug. Bei den primitiven Wirbeltieren machte das Riechhirn den größten Teil des gesamten Gehirns aus und die neuronalen Mechanismen der Signalverarbeitung, die sich dabei entwickelten, standen Modell für alle anderen Sinne wie Sehen oder Hören. Trotz seiner ungeheuren Komplexität und Leistungsfähigkeit organisiert sich auch das menschliche Gehirn immer um das olfaktorische System. Für den Menschen hat dieses archaische Sinnessystem weit weniger an Bedeutung verloren, als gemeinhin angenommen wird. Düfte können Auslöser für Sympathie und Antipathie sein, Stimmungen und Emotionen beeinflussen, das Sozial- und Sexualverhalten steuern, den Hormonstatus verändern und als chemische Kommunikationsmittel dienen. Auch körperliche Funktionen können direkt beeinträchtigt werden, wie wir durch Experimente im Schlaflabor zeigen konnten. So erhöht z.B. Orangenduft die Pulsrate und die Atmungstätigkeit, während Fäulnisduft beide senkt.
Bislang war nur wenig über den molekularen Hintergrund der Geruchswahrnehmung bekannt. Die Komplexität der Geruchswelt ist wohl Hauptgrund für dieses Wissensdefizit.Wir können unbegrenzt viele Duftstoffe wahrnehmen und mehr als 10.000, selbst in äußerst geringen Konzentrationen, unterscheiden. Was geschieht, wenn ein Duftmolekül auf der Riechschleimhaut absorbiert wird und von der Riechzelle ein elektrischer Strom zu unserem Riechhirn weitergeleitet wird? Inzwischen weiß man, dass sich in der Membran unserer Riechsinneszellen Proteine, sog. Riechrezeptoren, befinden, die mit den Duftmolekülen wechselwirken können. Werden sie durch einen Duft aktiviert, sind sie in der Lage, über zwischengeschaltete sog. G-Proteine in der Zelle eine biochemische Signalkaskade zu starten, die zur Herstellung eines zweiten Botenstoffes (second messenger) führt. Dieser Botenstoff, zyklisches Adenosin- monophosphat (cAMP), öffnet dann spezifische Ionenkanäle (cAMP-Kanäle) in der Membran unserer Riechzellen, durch die positiv geladene Ionen (Natrium, Kalzium) aus dem Nasenschleim in die Riechzelle strömen und dadurch das Ruhemembranpotential (etwa -70 mV) dieser Zellen in positive Richtung verschieben. Überschreitet eine solche Veränderung, auch Rezeptorpotential genannt, eine gewisse Schwelle (-50 mV) so entstehen Aktionspotentiale (Analog-Digital-Wandlung) und diese werden über den langen Nervenfortsatz bis in unser Gehirn geleitet (Abb. 1). Dort findet dann die Analyse der einlaufenden Information statt und erlaubt uns, einen bestimmten Duft zu identifizieren und von anderen Düften zu unterscheiden.
Einen Meilenstein im Verständnis der Signalübertragung stellt das Jahr 1991 dar: Die beiden wichtigsten Proteine für die Erkennung und Umsetzung eines Duftreizes in eine elektrische Antwort der Riechzelle wurden bei der Ratte isoliert und kloniert - der Riechrezeptor und der cAMP-Kanal. Wir konnten 1996 zum ersten Mal diesen Ionenkanal an menschlichen Riechzellen mit elektrophysiologischen Methoden identifizieren und vermessen.1998 konnten wir auch den ersten menschlichen Riechrezeptor klonieren und charakterisieren.
Das Rezeptorprotein besteht aus einer Kette von ca. 320 Aminosäuren, die sich in charakteristischer Weise siebenmal durch die Membran der Riechsinneszelle schlängelt (Abb.1). Am Beginn dieser Untersuchungen standen die beiden wichtigen Fragen, ob die bei der Ratte gefundenen Proteine tatsächlich die gesuchten Riechrezeptoren sind und wenn ja, ob diese Rezeptoren auch in ähnlicher Form in der menschlichen Nase vorkommen.
Modell der molekularen Struktur des menschlichen Riechrezeptorproteins. Die 320 Aminosäuren lange Kette durchquert siebenmal die Membran der Riechsinneszellen.Erste Hinweise dafür lieferten Befunde, nach denen die gesuchten Riechrezeptoren nur in den Riechzellen (und Spermien) vorkommen und dass es eine zahlenmäßig sehr große Genfamilie von mindestens 1.000 Mitgliedern gibt, die entsprechend viele unterschiedliche Proteine erzeugt. Bei der Vielzahl von unterscheidbaren Gerüchen hatte man eine Zahl in dieser Größenordnung erwartet.
Für einen gesicherten Beweis war es notwendig zu zeigen, dass diese Proteine Düfte erkennen und unterscheiden können und dass sie in der Lage sind, in der Zelle die Signalübertragungskaskade anzuschalten. Experimentell gingen wir deshalb folgendermaßen vor: Wir klonierten zuerst eine Reihe von Genen dieser Rezeptorproteine, die in einem Genabschnitt auf Chromosom 17 des Menschen zu finden sind; weitere Rezeptorgene findet man auf Chromosom 6, 11, 19 usw.
Das klonierte Erbgut (cDNA) eines dieser Rezeptoren (17-40) wurde in ein Bakterienplasmid eingebaut, das als Vektor dient, indem es dieses Gen in bestimmte Zelllinien, z.B. embryonale menschliche Nierenzellen, einschleust. Ob die Riechrezeptorproteine auch in den fremden Zellen funktionsfähig sind und auf einen bestimmten Duft reagieren, sollte dann geprüft werden. Zuvor mußten zwei wichtige Fragen geklärt werden: Wie findet man unter den Tausenden von möglichen Düften den zum Rezeptor passenden und wie kann man erkennen, ob eine Nierenzelle etwas ,,gerochen" hat? Mit einer Mischung von 100 in der Parfümerie häufig verwendeten, chemisch sehr unterschiedlichen Duftsubstanzen (Alkohole, Aldehyde. Ketone, Amine, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Heterocyclen usw.), zusammengestellt von der Firma Henkel,ließ sich ein breites Spektrum abdecken. Das zweite Problem konnte gelöst werden, indem wir die intrazelluläre Kalziumkonzentra tion, die in menschlichen Riechzellen nach Zugabe eines Duftes ansteigt, als Untersuchungsmerkmal (Marker) nutzten. Mit Hilfe des sog. Kalzium-Imaging-Systems läßt sich mit optischen Methoden, ohne die lebende Zelle zu schädigen, life und in Echtzeit die Veränderung der Kalziumkonzentration messen und damit die Reaktion der Nierenzelle auf Duftzugabe studieren. Ein Stück Gewebe aus dem Riechepithel wird zusammen mit isolierten Riechhirnzellen in Kultur genommen (oben, links). Nach einigen Tagen wachsen Nervenfasern aus dem Riechepithel aus und nehmen Kontakt mit den umliegenden Hirnzellen auf. Die Kultur wächst auf einem elektronischen Chip mit 64 Meßpunkten (schwarze Kreise). Auf diese Weise kann simultan die Aktivität der Zellen gemessen werden, die mit diesen Punkten Kontakt aufgenommen haben.
Der von uns isolierte menschliche Riechrezeptor antwortete tatsächlich auf die „Henkel-100-Mischung" (Abb.3A). Durch Unterteilung der Mischung in kleinere Gruppen von Duftstoffen konnten wir dann zeigen, dass nur eine einzige Substanz der Mischung in der Lage war, unseren Rezeptor zu aktivieren, die anderen 99 Substanzen erwiesen sich als vollständig unwirksam. Der Duft dieser Substanz - Helional - erinnert an eine frische Meeresbrise. Trotz Testung verschiedener in ihrem chemischen Aufbau dem Helional sehr ähnlicher Moleküle konnten wir nur noch eine weitere wirksame Substanz finden, das Heliotropylaceton (Abb.5). Dieser erste klonierte und identifizierte menschliche Riechrezeptor (HT 7-40) reagiert sehr spezifisch nur auf eine bestimmte molekulare Struktur und bereits kleine Änderungen am Molekül führen sehr schnell zu einem völligen Verlust der Wirksamkeit. Die Schwellenkonzentration für die Düfte war extrem niedrig, im nanomolaren Bereich, und stimmte mit Befunden von Verhaltensexperimenten überein. Inzwischen konnten wir diesen Rezeptor auch in Oocyten (Eizellen) des Krallenfrosches Xenopus laevis funktionsfähig einbauen und das elektrische Signal durch zwei zusätzlich in die Eizellen eingeschleuste Proteine verstärken. Mit Hilfe elektrophysiologischer Methoden läßt sich der induzierte Strom messen (Abb.4). Zusätzlich stellen wir ein Virus (Semliki-Forest-Virus) her, das das Gen für den menschlichen Riechrezeptor enthält. Dies erlaubt es uns, diesen Rezeptor auch in lebendes natürliches Gewebe einzuschleusen. In der Zwischenzeit haben wir noch 10 weitere Gene für Riechrezeptoren auf Chromosom 17 isoliert und kloniert, und dabei festgestellt, dass sich die entsprechenden Rezeptorproteine zum Teil nur durch einige wenige Aminosäuren der insgesamt 320 Aminosäuren langen Kette unterscheiden. Die Kenntnis der wirksamen Düfte für diese Rezeptoren wird uns die Möglichkeit geben, die spezifischen Aminosäuren zu identifizieren, die an der Bindung des Duftmoleküls beteiligt sind und mehr über die molekularen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Rezeptor und Duftmolekül zu erfahren.
A: Funktionale Expression des menschlichen Riechrezeptors in HEK 293-Zellen. Auf Duftzugabe (Henkel 100) antworten die Zellen mit einer Erhöhung der intrazellulären Ca-Konzentration. B: Kontrollzellen ohne menschlichen Riechrezeptor zeigen keine Änderung der Ca-Konzentration nach Duftzugabe.Diese Erkenntnisse der Grundlagenforschung eröffnen neue Perspektiven im Anwendungsbereich. Mit Hilfe sog. ,,molecular-modelling"-Verfahren ließe sich für einen Rezeptor der ideale Ligand (Duft) konstruieren bzw. durch kleine Veränderungen am Rezeptorprotein ein ,,Super"-Rezeptor für einen bestimmten Duft erzeugen. Vor allem die chemische Industrie (Parfümindustrie) hat dafür bereits großes Interesse bekundet. Damit sind auch die Voraussetzungen gegeben, um in Kooperation mit Chemie- und Pharmafirmen an einem Biosensorsystem zu arbeiten, mit dessen Hilfe für den Menschen relevante Düfte erkannt und identifiziert werden können. Die „künstliche Nase" könnte der zuverlässigen Qualitätskontrolle bei Lebensmitteln dienen, Produktmischungen entschlüsseln (,,blended" Kaffee) und damit für immer gleiche Geschmacksqualität sorgen, oder Düfte erkennen, die Gefahren signalisieren.
Ein anderer Zukunftsaspekt liegt im klinisch-medizinischen Bereich. Menschen, die angeboren oder durch eine Erkrankung bestimmte Düfte nicht riechen können oder den Geruchssinn vollständig verloren haben (partielle bzw. totale Anosmie), könnte mit Hilfe des erwähnten Virussystems zumindest ein Teil ihres Geruchssinns wieder zurückgegeben werden. Erkrankungen, die von charakteristischen Gerüchen begleitet werden (Diabetes, Nierenerkrankung, gewisse Formen der Schizophrenie usw.) ließen sich mit Hilfe von Biosensoren aufspüren.

 
 
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Letzte Änderung: 13.5.2008| Ansprechpartner/in: Inhalt & Technik