Forscher verbessern das Verständnis dafür, warum Zellteile so aussehen, wie sie aussehen

Wissenschaftler haben seit langem verstanden, dass Teile von Zellen, sogenannte Organellen, sich im Laufe der Evolution zu bestimmten Formen und Größen entwickelt haben, weil ihre Formen eng mit ihrer Funktion verknüpft sind. Jetzt haben Forscher von Johns Hopkins ein bakterienbasiertes Tool entwickelt, um zu testen, ob, wie das Axiom sagt, die Form der Funktion folgt.

Das Werkzeug, von dem Forscher sagen, dass es eines Tages praktische Anwendungen bei der Behandlung von Krankheiten haben könnte, funktioniert durch präzises Anvisieren und Zerlegen der äußeren Membran, die Organellen umgibt, und wird anderen Wissenschaftlern kostenlos zur Verfügung gestellt. In einer interessanten Wendung, sagen die Forscher, könnte das Werkzeug auch in der Lage sein, aggregierte Proteine ​​in Zellen abzubauen, die häufig für neurodegenerative Erkrankungen wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) charakteristisch sind.

Das Johns Hopkins-Team konzentrierte seine Arbeit auf Mitochondrien, Organellen, die als Energiemotoren oder Kraftwerke von Zellen, auch menschlichen, dienen. Sie konzentrierten sich auch auf sogenannte Golgi-Körper, die als Fabriken und Verpacker einer Vielzahl von Proteinen und des Zellkerns oder Kontrollzentrums einer Zelle fungieren.

Die Ergebnisse der Arbeit der Forscher werden in veröffentlicht Zellberichte.

„Wir haben ein wissenschaftliches Werkzeug entwickelt, um zu testen, warum Zellorganellen so aussehen, wie sie aussehen, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen“, sagt Takanari Inoue, Ph.D., Professor für Zellbiologie an der Johns Hopkins University School of Medicine. Das Tool, sagt Inoue, könnte auch dabei helfen, herauszufinden, warum sich die Funktion – zum Guten oder zum Schlechten – ändern kann, wenn die Form einer Organelle anders ist.

Im Fall von Mitochondrien beispielsweise bei Menschen mit Alzheimer-Krankheit vergrößern sie sich und geraten im Inneren in Unordnung, so Inoue. Bei Menschen mit einer beschleunigten Alterungskrankheit namens Progerie ist der Zellkern deformiert.

Um das Tool zu entwickeln, rekrutierte ein Postdoktorand in Inoues Labor, Hideki Nakamura, Listeria-Bakterien, die aufgrund ihrer besonderen Wirkung durch Lebensmittel übertragene Krankheiten verursachen. Wenn Listerien in eine tierische Zelle eindringen, kapern sie die Aktinvorräte der Zelle, ein Protein, das ihnen hilft, sich durch die Zelle zu bewegen, wo sie Nährstoffe aufsaugen und einen Weg finden, zu entkommen und andere Zellen zu infizieren.

In Zusammenarbeit mit Physikexperten, die in der Lage sind, die physikalische Kraft zu identifizieren und zu messen, die durch die Aufnahme von Aktin durch Listerien entsteht, entwickelte Nakamura das mit Listerien verbundene Aktin, um Proteine ​​und andere Moleküle zusammenzusetzen, die sich mit der Oberfläche eines Organells innerhalb einer Zelle verbinden und Kraft auf das Aktin ausüben Oberfläche und brechen Sie es auf.

Wissenschaftler verfügen bereits über andere Methoden, um Organellen im Inneren von Zellen aufzubrechen, sagt Inoue, etwa die Verwendung sogenannter optischer Pinzetten oder das Ausdehnen der Zelle, um sie zu glätten. Allerdings untersuchen diese Methoden die Zelle von außen, und keine von ihnen, sagt er, könne Organellen aus dem Inneren der Zelle angreifen.

Nakamura, der jetzt an der Universität Kyoto ist, nannten Inoue und ihr Team das neue Werkzeug ActuAtor.

In ihrer neuen Reihe von Experimenten testete das Johns Hopkins-Team ActuAtor an menschlichen Epithelzellen, die die Oberflächen von Haut und anderen Organen auskleiden und bedecken, und konnte die Mitochondrien in den Zellen 10 Minuten nach dem Eindringen des auf Listerien basierenden Werkzeugs in die Zellen vollständig fragmentieren .

Als das Team die Mitochondrienfunktion vor und nach der Veränderung der Mitochondrienform untersuchte, stellten sie keine großen Unterschiede in ihrer Fähigkeit fest, Energie für die Zelle zu erzeugen, stellten jedoch fest, dass die Zelle „erkennt“, dass die Mitochondrienform unterschiedlich ist, und ihre Anstrengungen erhöht um die deformierten Organellen loszuwerden, wenn auch nur geringfügig.

„In diesem Fall kam unser Team zu dem Schluss, dass die Funktion in den Mitochondrien möglicherweise nicht der Form folgt“, sagt Inoue.

Das Team testete das Werkzeug auch an Gehirnzellen und verschiedenen Organellen, einschließlich Kernen und Golgi-Körpern, und konnte ActuAtor verwenden, um die Organellen aufzubrechen.

Inoue und Nakamura haben ActuAtor außerdem umfunktioniert, um die Ansammlung von Proteinkörnchen in Zellen zu zerstreuen, die sich aufgrund von „Umweltstress“ wie Temperaturänderungen oder Sauerstoffmangel bilden. Das Team sagt, dass sie diese Anwendung des Tools auf seine Fähigkeit testen werden, Proteinaggregate zu zerstreuen, die in Gehirnzellen verklumpen, um neurodegenerative Erkrankungen wie ALS zu behandeln.