Forscher untersuchen Wirkungen von Tau-Proteinen auf Mikrotubuli in Nervenzellen

Das Tau-Protein ist ein wichtiger Faktor im Zusammenhang mit der Entwicklung von menschlichen neurodegenerativen Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit. Dennoch gibt es noch vieles, was wir über Tau und andere ähnliche Proteine ​​nicht wissen. Die neuesten Entdeckungen stammen aus der Arbeit eines internationalen Teams, dem Koautoren der naturwissenschaftlichen Fakultät der Karls-Universität in Prag, Lenka Libusova, Ph.D. und Doktorandin Tereza Humhalová. Die Studie ist erschienen in Naturchemische Biologie. Es zeigt, dass das Tau-Protein Beschichtungen oder Hüllen auf Zytoskelettstrukturen der Zelle bilden kann, die als Mikrotubuli bezeichnet werden. Diese verändern anschließend die Eigenschaften der beschichteten Mikrotubuli und verhindern auch den Durchgang bestimmter molekularer Motoren, die für den intrazellulären Transport sorgen, indem sie sich einfach entlang der Mikrotubuli bewegen.

Mikrotubuli sind dünne Röhren im Inneren von Zellen, die als Transportwege für verschiedene Ladungen (Vesikel, Mitochondrien, andere Mikrotubuli, Proteinkomplexe) von einem Ort in der Zelle zum anderen dienen. In kleineren Zellen funktioniert dieser Transport über kurze Distanzen, aber in Zellen, die im Allgemeinen groß oder in einer Richtung langgestreckt sind, muss auch ein Transport über lange Distanzen bereitgestellt werden. Nervenzellen mit ihren Fortsätzen sind ein typisches Beispiel für Zellen, in denen Mikrotubuli für den Transport von Fracht oft über Entfernungen von vielen Zentimetern sorgen. Wenn jedoch die Mikrotubulusbahnen beschädigt sind und/oder die Transportprozesse nicht richtig ablaufen, kann es zu einer neurodegenerativen Erkrankung kommen.

Die Proteine, die an Mikrotubuli binden, werden kollektiv als MAPs bezeichnet (ein Akronym, abgeleitet von „microtubule-associated proteines“). MAPs sind sehr wichtige Akteure im Zytoskelett-Orchester der Zelle, da ihre Bindung die Mikrotubuli-Stabilität beeinflusst, die Verankerung des Mikrotubuli-Netzwerks an der Zytoplasmamembran oder die Verbindung mit anderen Zytoskelett-Strukturen sicherstellt. Insbesondere MAP2- und Tau-Proteine, die zur gleichen Proteinfamilie gehören, bilden schützende Hüllen auf Mikrotubuli. Die umhüllten Teile sind resistent gegen die Enzyme, die Mikrotubuli abbauen.

Neu veröffentlichte Arbeit zweier tschechischer Gruppen unter der Leitung von Dr. Zdeněk Lánský vom Institut für Biotechnologie des CAS im BIOCEV-Zentrum und Dr. Lenka Libusová von der Fakultät für Naturwissenschaften der Karls-Universität Prag in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Prag Kalifornien (UC Davis), zeigt, dass MAP2 und Tau-Proteine ​​durch ihre Bindung an Mikrotubuli noch mehr bewirken. Wenn sie einen Teil der Mikrotubuli mit ihren kooperativ gebundenen Molekülen als Beschichtung überziehen, induzieren sie auch dort eine Veränderung der Mikrotubulusstruktur. Die Mikrotubuli verkürzen sich, ohne eine Baueinheit freizugeben, und werden nur im beschichteten Bereich kompakter.

Interessanterweise kehrt sich auch die Beziehung zwischen dem Vorhandensein der Hülle und der Länge der Mikrotubuli um – wenn die Mikrotubuli durch eine äußere Kraft gedehnt werden, fällt die durch Tau- oder MAP2-Moleküle gebildete Beschichtung ab. Dies wirft die Frage auf, welchen Zweck diese Empfindlichkeit des umhüllten Mikrotubulus-Netzwerks gegenüber mechanischer Spannung in Nerven- (oder sogar Muskel-) Zellen unter physiologischen Bedingungen erfüllen könnte.

Eine weitere interessante Eigenschaft von Tau- und MAP2-Proteinhüllen ist, dass sie selektiv die Passage molekularer Motoren entlang von Mikrotubuli beeinflussen. Während Dynein-Motoren, die sich zum Zellkern bewegen (retrograd), Tau- oder MAP2-Hüllen überwinden können, sind diese Regionen für einige Kinesin-Motoren, die sich zur Plasmamembran bewegen (anterograd), ein großes Hindernis. Somit erzeugt die Bindung der untersuchten MAPs auf Mikrotubuli Bereiche, in denen der Frachttransport auf den Transport in nur eine Richtung beschränkt ist oder der Durchgang nur bestimmten Arten von molekularen Motoren gestattet ist. Bestimmte Abschnitte von Mikrotubuli übernehmen somit unterschiedliche Funktionen, was für das reibungslose Funktionieren der Nervenzelle wichtig ist. Die Proteine ​​der Tau-Familie scheinen noch viele weitere Überraschungen zu bergen.