„Eiweiße sind die Bausteine unseres Körpers“: Diesen Satz hast du bestimmt schon einmal gehört. Proteine sind für die Bildung unserer Körperstrukturen und deren Funktion unerlässlich.
Ähnlich wie Ziegel und Zement zusammenkommen, um Räume zu bilden, und dann ein ganzes Gebäude, kommen mehrere Komponenten zusammen, um die Struktur unseres Körpers zu bilden. Eine dieser Komponenten – eine entscheidende noch dazu – ist Kollagen. Die Fasern dieses Proteins bilden die Grundlage für unsere Haut, Muskeln, Knochen und alle anderen Organe im Körper. Auf dieser Grundlage ist unser Bindegewebe aufgebaut.
Trotz seiner Bedeutung für die Struktur unseres Körpers gab es jedoch noch einige Lücken in unserem Verständnis darüber, wie Kollagenfasern von Fibroblasten (auf diese Funktion spezialisierte Zellen) synthetisiert werden. An diesem Punkt trat eine Gruppe von Forschern aus Japan an, um sich der Herausforderung zu stellen. Das Team unter der Leitung von Assistenzprofessor Dr. Toshiaki Tanaka vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) entwickelte ein Live-Bildgebungssystem, um zu beobachten, wie eine bestimmte Art von Prokollagen – Typ I – in Zellen verarbeitet wird.
Dr. Tanaka erklärt, wie sie „fluoreszierende Protein-Tags in Typ-I-Prä-Prokollagen α1 eingefügt haben“. Von der Markierung von Prokollagen (Moleküle, die in Fibroblasten gebildet und dann zu Kollagen verarbeitet werden) wurde zuvor abgeraten, da die Hinzufügung dieser Markierungen die empfindliche Struktur von Kollagen beeinträchtigte und zu einer abnormalen Kollagenproduktion führte. In ihrem Papier (das am 18. Februar 2022 online veröffentlicht wurde, und dann in Band 5, Ausgabe 5 von Life-Science-Allianz im Mai 2022) erwähnt das Team von Dr. Tanaka, wie sie Regionen identifizieren konnten, in denen Protein-Tags eingefügt werden konnten, ohne die strukturelle Stabilität von Kollagen zu beeinträchtigen. Anschließend führten sie dieses markierte Prokollagen in Fibroblasten ein und untersuchten sie in Echtzeit mit konfokaler Mikroskopie, Immunfärbung und Kollagen-Assays.
Über die Ergebnisse berichtet Dr. Tanaka: „Es wird angenommen, dass Fibroblasten einen Kollagenvorläufer absondern – der aus Kollagen, N-Propeptid (oder N-pp) und C-Propeptid (oder C-pp) besteht. Extrazellulär N-pp und C-pp werden dann von Enzymen, die als Peptidasen bekannt sind, gespalten und bilden dann Kollagen. Aber wir fanden heraus, dass diese Propeptide innerhalb der Fibroblasten gespalten werden.“
Live-Bildgebungsstudien zeigten, dass N-pp nach der Spaltung aus der Zelle transportiert wurde, aber C-pp um den Zellkern herum angesammelt wurde, wo es weiter verarbeitet und abgebaut wurde, bevor eine kleine Menge nach außen abgesondert wurde.
Die intrazelluläre Verarbeitung, der Transport und die Sekretion von Kollagen wurde daher als der langsamste Schritt in der Kollagensynthese identifiziert. Verständlicherweise steuert die Geschwindigkeit dieser Verarbeitung die Geschwindigkeit der Kollagensynthese. Durch die Überwachung dieses Schritts mit Live-Bildgebung (wie in dieser Studie durchgeführt) können Forscher relative Veränderungen der Kollagensekretion effizient und schnell erkennen.
Tatsächlich ging das Team einen Schritt weiter und versuchte, diese Veränderungen ebenfalls zu erkennen, insbesondere bei Leberfibrose, einer Krankheit, die durch die unausgewogene Sekretion von Kollagen und bestimmten anderen Proteinen durch hepatische Sternzellen (HSCs) entsteht. Dieses Ungleichgewicht verursacht die Bildung von Narbengewebe in unserer Leber, was ihre normale Funktion stark beeinträchtigt. Das Team verwendete für diese Experimente HSCs, die Heilung und Verletzungsreaktionen in unserer Leber ermöglichen.
„Bei Leberfibrose werden HSCs aktiviert und beginnen, ungewöhnlich dicke und lange Kollagenfibrillen abzusondern. In unseren Experimenten haben wir beobachtet, dass die Produktion solcher Kollagenfasern mit einer fehlerhaften intrazellulären Verarbeitung von Prokollagen in Verbindung steht“, sagt Dr. Tanaka. Für die Zukunft prognostiziert Dr. Tanaka die Entwicklung von Molekülen und Therapien zur Regulierung der Kollagenproduktion. „Diese Moleküle könnten helfen, Krankheiten zu behandeln, die aus einer zugrunde liegenden Störung der Kollagensynthese resultieren, wie Leberfibrose.“
Toshiaki Tanaka et al., Visualized procollagen Iα1 demonstriert die intrazelluläre Prozessierung von Propeptiden, Life-Science-Allianz (2022). DOI: 10.26508/lsa.202101060