Der clevere Kleber hält die beweglichen Teile der Zelle verbunden

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben herausgefunden, wie Proteine ​​in der Zelle winzige Flüssigkeitströpfchen bilden können, die als smarter molekularer Klebstoff wirken. Der Klebstoff, den sie entdeckt haben, haftet an den Enden von Filamenten, den sogenannten Mikrotubuli, und stellt sicher, dass der Zellkern für die Zellteilung richtig positioniert ist. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Natur Zellbiologieerklären das langjährige Rätsel, wie bewegliche Proteinstrukturen der Zellmaschinerie miteinander gekoppelt sind.

Kupplungen sind für Maschinen mit beweglichen Teilen von entscheidender Bedeutung. Starr oder flexibel, ob die Verbindung zwischen den Wellen in einem Motor oder die Gelenke in unserem Körper, die Materialeigenschaften sorgen dafür, dass mechanische Kräfte wie gewünscht übertragen werden. Nirgendwo ist dies besser optimiert als in der Zelle, wo die Wechselwirkungen zwischen sich bewegenden subzellulären Strukturen vielen biologischen Prozessen zugrunde liegen. Doch wie die Natur diese Kopplung herstellt, hat Wissenschaftler lange Zeit verblüfft.

Jetzt haben Forscher bei der Untersuchung einer für die Zellteilung von Hefezellen entscheidenden Kopplung herausgefunden, dass Proteine ​​dabei so zusammenarbeiten, dass sie zu einem flüssigen Tröpfchen kondensieren. Die Studie war eine Zusammenarbeit zwischen den Teams von Michel Steinmetz am Paul Scherrer Institut PSI und Yves Barral an der ETH Zürich, mit Hilfe der Gruppen von Eric Dufresne und Jörg Stelling, beide an der ETH Zürich.

Durch die Bildung eines Flüssigkeitströpfchens erreichen die Proteine ​​die perfekten Materialeigenschaften, um die biologische Funktion zu gewährleisten. Diese Entdeckung ist nur der Anfang eines neuen Verständnisses der Rolle, die intelligente Flüssigkeiten in der Zelle spielen, glaubt Barral, dessen Forschungsgruppe den Prozess der Zellteilung in Hefe untersucht.

„Wir finden heraus, dass Flüssigkeiten, die aus Biomolekülen bestehen, äußerst anspruchsvoll sein können und eine viel breitere Vielfalt an Eigenschaften aufweisen, als wir es aus unserer makroskopischen Sicht gewohnt sind. In dieser Hinsicht werden wir feststellen, dass diese Flüssigkeiten beeindruckende Eigenschaften haben.“ wurden von der Evolution über Hunderte von Millionen von Jahren ausgewählt.“

Mikrotubuli: Die Seile der Zelle

Die Studie konzentriert sich auf eine Kopplung, die an den Enden von Mikrotubuli auftritt – Filamente, die das Zytoplasma der Zelle durchziehen und eine beunruhigende Ähnlichkeit mit außerirdischen Tentakeln haben. Diese hohlen Röhren, die aus dem Baustein Tubulin gebildet werden, fungieren als Schleppseile und transportieren verschiedene Ladungen durch die Zelle.

Mikrotubuli erhalten während der Zellteilung eine ihrer wichtigsten Frachten. In der Hefe haben sie die wichtige Aufgabe, den Zellkern, der die sich teilenden Chromosomen enthält, zwischen Mutter- und aufkeimender Tochterzelle zu ziehen. Dazu muss sich der Mikrotubulus über ein Motorprotein mit einem Aktinkabel verbinden, das in der Zellmembran der entstehenden Tochterzelle verankert ist.

Das Motorprotein wandert dann entlang des Aktinkabels und zieht die Mikrotubuli in die Tochterzelle, bis ihre kostbare Fracht an genetischem Material ihren beabsichtigten Bestimmungsort zwischen den beiden Zellen erreicht.

Diese Kopplung – die für das Fortschreiten der Zellteilung unerlässlich ist – muss der Spannung standhalten, wenn das Motorprotein läuft, und es ermöglichen, den Zellkern feinfühlig zu manövrieren.

Michel Steinmetz, dessen Forschungsgruppe am PSI Experte für die Strukturbiologie von Mikrotubuli ist, erklärt: „Zwischen Mikrotubuli und Motorprotein muss es einen Kleber geben. Wenn sich die Mikrotubuli sonst lösen, entsteht eine Tochterzelle mit kein genetisches Material, das nicht überleben wird.“

Die flexible Kupplung der Natur

In Hefe schmücken drei Proteine, die den Kern des sogenannten Kar9-Netzwerks bilden, die Spitze der Mikrotubuli, um diese Kopplung zu erreichen. Wie sie die notwendigen Materialeigenschaften erreichen, schien dem traditionellen Verständnis von Proteininteraktionen zu widersprechen.

Eine Frage, die Wissenschaftler schon lange beschäftigte, war, wie die drei Kernproteine ​​des Kar9-Netzwerks an der Spitze der Mikrotubuli haften bleiben, selbst wenn Tubulin-Untereinheiten hinzugefügt oder entfernt werden: Das entspricht dem Haken am Ende eines Schleppseils, der an Ort und Stelle bleibt, während benachbarte Seilabschnitte eingeführt werden oder abgeknipst. Hier liefert ihre Entdeckung eine Antwort: So wie ein Tropfen flüssiger Klebstoff am Ende eines Bleistifts haften würde, kann diese Protein-„Flüssigkeit“ am Ende des Mikrotubulus haften bleiben, selbst wenn es wächst oder schrumpft.

Die Forscher entdeckten, dass die drei Kernproteine ​​des Kar9-Netzwerks durch ein Netz schwacher Wechselwirkungen zusammenarbeiten, um diese flüssige Eigenschaft zu erreichen. Da die Proteine ​​an mehreren verschiedenen Stellen interagieren, bleiben andere bestehen, wenn eine Interaktion fehlschlägt, und der „Kleber“ bleibt weitgehend bestehen. Dies verleiht den Mikrotubuli die Flexibilität, die erforderlich ist, damit die Mikrotubuli auch unter Spannung am Motorprotein haften bleiben, glauben die Forscher.

Für ihre Entdeckung untersuchten die Forscher methodisch die Wechselwirkungen zwischen den drei Proteinkomponenten des Kar9-Netzwerks. Basierend auf strukturellen Erkenntnissen, die in früheren Studien an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS gewonnen wurden, konnten sie die Proteine ​​mutieren, um Interaktionsstellen selektiv zu entfernen, und die Effekte in vivo und in vitro beobachten.

In Lösung kamen die drei Proteine ​​zusammen und bildeten unterschiedliche Tröpfchen, wie Öl in Wasser. Um nachzuweisen, dass dies in Hefezellen vorkommt, untersuchten die Forscher die Auswirkung von Mutationen auf die Zellteilung und die Fähigkeit der Proteine, das Ende eines schrumpfenden Mikrotubulus aufzuspüren.

„Es war ziemlich einfach, in vitro zu beweisen, dass die Proteine ​​miteinander interagieren und ein flüssiges Kondensat bilden. Aber es war eine große Herausforderung, überzeugende Beweise dafür zu liefern, dass dies in vivo passiert, was uns mehrere Jahre gekostet hat“, erklärt Steinmetz, der Erster postulierten zusammen mit einem Kollegen aus den Niederlanden in einer Übersichtsveröffentlichung 2015 die Idee eines „flüssigen Proteinklebers“ für Mikrotubuli-Spitzen-bindende Proteine.

Nicht Ihr gewöhnlicher Mehrzweckkleber

Barral ist beeindruckt, wie ausgeklügelt der Kleber ist. „Es ist nicht nur ein Kleber, sondern ein intelligenter Kleber, der in der Lage ist, räumliche Informationen nur an der richtigen Stelle in Form zu integrieren.“ Innerhalb des komplexen Gewirrs identischer Mikrotubuli im Zytoplasma der Zelle erhält nur ein Mikrotubulus das Tröpfchen, das es ihm ermöglicht, sich an das Aktinkabel anzuheften und die genetische Information an ihren Platz zu ziehen. „Wie die Natur es schafft, eine komplexe Struktur am Ende nur eines Mikrotubulus aufzubauen und nicht an anderen, ist verblüffend“, betont er.

Die Forscher glauben, dass die flüssige Eigenschaft der Proteine ​​eine wichtige Rolle spielt, um diese Spezifität zu erreichen. Auf die gleiche Weise, wie kleine Öltröpfchen in einer Vinaigrette miteinander verschmelzen, stellen sie die Hypothese auf, dass sich zunächst kleine Tröpfchen auf vielen Mikrotubuli bilden, die anschließend irgendwie zusammenlaufen, um ein größeres Tröpfchen auf einem einzelnen Mikrotubulus zu bilden. Wie genau dies erreicht wird, bleibt ein Rätsel und ist Gegenstand von Untersuchungen in den Teams Steinmetz und Barral.