Checkpoints ermöglichen eine präzise Aufnahme von Molekülen in die Zellen

Zellen nehmen Substanzen viel präziser auf als bisher angenommen, wie neue Forschungsergebnisse zeigen und die Tür zu potenziellen Behandlungen für mehrere Krankheiten öffnen.

„Strukturelle Basis eines endozytischen Kontrollpunkts, der den AP2-Clathrin-Adapter für die Frachtinternalisierung vorbereitet“, veröffentlicht am 28. März in Natur Struktur- und Molekularbiologiewirft ein Licht auf die Endozytose – die Aufnahme externer Moleküle.

Jede Zelle im menschlichen Körper ist auf Endozytose angewiesen, um zu überleben. Wie Zellen externe Fracht für diesen Aufnahmeprozess sammeln, ist jedoch nicht gut verstanden.

Um genau zu visualisieren, was an der Zellmembran vor sich geht, haben sich der Doktorand Edward Partlow und Gunther Hollopeter, Assistenzprofessor in der Abteilung für Molekulare Medizin, mit Kevin Cannon und Richard Baker von der University of North Carolina School of Medicine zusammengetan, die sich darauf spezialisiert haben Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), eine Technik, die Elektronen verwendet, um Bilder von Dingen auf molekularer Ebene aufzunehmen.

Zuvor hatte die Hollopeter-Gruppe einen molekularen Mechanismus für die Endozytose enthüllt: Ein Protein namens Muniscin bindet an ein anderes Protein namens AP2 und fungiert dann als Schalter für ein anderes Protein, das dann festlegt, wo die Fracht internalisiert wird. Angeschaltet wird AP2 in blasenartige Kompartimente, sogenannte Vesikel, gezogen und bringt die Fracht in die Zelle.

Partlow und Hollopeter erkannten jedoch, dass ihre Hypothese unvollständig war. Muniscine folgen AP2 nicht in das Vesikel. „Das bedeutet, dass AP2 irgendwie ohne das Muniscin eingeschaltet bleiben muss“, sagte Partlow. Darüber hinaus deuteten seine anfänglichen biochemischen Experimente darauf hin, dass Muniscin-gebundenes AP2 nicht wirklich in einem „Ein“-Zustand war. „Zu diesem Zeitpunkt wussten wir nur, dass sich AP2 in einem neuen Zustand befand“, sagte Partlow, „aber wir wussten nicht, was dieser Zustand war.“

Was sie bei der Verwendung von Kryo-EM herausfanden, überraschte sie alle: Muniscins induzierte einen nie zuvor gesehenen Zustand in AP2 – irgendetwas zwischen Aus und An – einen „vorbereiteten“ Zustand. Als Partlow Fracht zum System hinzufügte, ließ der AP2 den Muniscin fallen und nahm einen vollständigen „Ein“-Zustand an. „Dieser neue aktivierte Zustand von AP2 scheint als Kontrollpunkt zu fungieren, um sicherzustellen, dass nur ladungsgebundene Komplexe in ein Vesikel gelangen dürfen“, sagte Hollopeter.

Partlow verwendete eine Analogie von Menschen, die zu einer Vorstellung ins Theater kamen. „Der muniscin ist wie das Theaterpersonal, das überprüft, ob die Gäste oder AP2 ein ‚Ticket‘ haben – also die Fracht“, sagt er. „Der Muniscin bindet den AP2, der kein Ticket hat, und hindert den AP2 daran, das ‚Theater‘ oder Vesikel zu betreten, aber sobald AP2 ein Ticket erhält, darf er eintreten.“

Sobald die Fracht AP2 bindet, trennt sich das Muniscin und ist bereit, von vorne zu beginnen und neue AP2-Proteine ​​zu rekrutieren, um sich auf neue extrazelluläre Fracht vorzubereiten.

Dieser Befund stellt eine lang gehegte Annahme auf den Kopf, dass Zellen nur die Exozytose regulieren, die Freisetzung interner Fracht, die Endozytose jedoch auf einem zombieähnlichen Autopiloten läuft. „Die Entdeckung von geprimtem AP2 ist aufregend, weil es bedeutet, dass die Endozytose auch Steuerhebel hat“, sagte Hollopeter. Diese Hebel helfen der Zelle sicherzustellen, dass Frachten mit hoher Priorität schnell und effizient internalisiert werden.

Die Forscher hoffen, tiefer in die Folgen des Primings in Zellen eintauchen zu können und wie andere Proteine ​​mit geprimtem AP2 interagieren könnten. Wenn sie diese Grundlagenarbeit fortsetzen, könnte dies zu neuen Therapien für Erkrankungen führen, bei denen die Endozytose entführt wird, einschließlich Krebs, hoher Cholesterinspiegel und Viruserkrankungen.

„Wir hoffen, dass dieser neu entdeckte Kontrollpunkt bei der Behandlung dieser Krankheiten genutzt werden kann“, sagte Partlow.