Lösung eines jahrzehntealten strukturellen Rätsels um die Entstehung energiespeichernder Lipidtröpfchen

Beim Menschen speichert praktisch jede Zelle Fett. Patienten mit einer seltenen Erkrankung namens kongenitale Lipodystrophie, die häufig im Kindesalter diagnostiziert wird, können jedoch Fett nicht richtig speichern, das sich in den Organen des Körpers ansammelt und das Risiko eines frühen Todes durch Herz- oder Lebererkrankungen erhöht. Im Jahr 2001 wurde ein Transmembranprotein namens Seipin als ein Molekül identifiziert, das für eine ordnungsgemäße Fettspeicherung unerlässlich ist, obwohl sein Mechanismus unbekannt geblieben ist.

Eine internationale Studie veröffentlicht in Natur Struktur- und Molekularbiologie ist das erste, das praktisch die gesamte Struktur von Seipin löst und modelliert, wobei es aufzeigt, dass es in zwei Konformationen existiert, und auf den Mechanismus für die Geburt der Lipidtröpfchen hinweist, die zur Fettspeicherung in gesunden Zellen verwendet werden.

„Lipidtröpfchen (LDs) wurden seit der Erfindung von Mikroskopen beschrieben, die das Innere von Zellen zeigen konnten. Seit etwa einem Jahrhundert ist bekannt, dass sie Lipide oder Fette speichern, aber sie galten als inaktiv. In den letzten 20 Jahren haben sich Lipidtröpfchen als sehr dynamisch erwiesen“, sagte Joel M. Goodman, Ph.D., Professor für Pharmakologie an der UT Southwestern, ein Distinguished Teaching Professor und einer der drei korrespondierenden Autoren der Studie.

Dr. Goodman hat eine Schlüsselrolle in der Seipin-Biologie gespielt, als er 2007 entdeckte, dass Seipin für die Verpackung von Fett in LDs verantwortlich ist und dass der gleiche Mechanismus in Tieren, Pflanzen und Pilzen vorkommt. Im Jahr 2010 war das Goodman-Labor das erste, das Seipin reinigte und berichtete, dass es aus etwa neun identischen Untereinheiten besteht, die einem Donut ähneln.

Seitdem hatten Wissenschaftler auf der ganzen Welt versucht, die Struktur zu lösen, was sich als sehr schwierig erwies, weil sich Seipin über die Membran des endoplasmatischen Retikulums erstreckt, einer Organelle innerhalb der Zelle. Diese transmembrane Platzierung machte den Komplex resistent gegen die Röntgenkristallographie, den langjährigen Goldstandard für solche Studien. Membranproteine ​​sind notorisch schwer zu kristallisieren, eine Voraussetzung für diese Technik.

Um das Problem anzugehen, wandte sich Dr. Goodman nach Gesprächen mit dem Bostoner Zellbiologen Tobias C. Walther, Ph.D., auf einer wissenschaftlichen Konferenz der kryogenen Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) zu. Dr. Walther, ein Forscher des Howard Hughes Medical Institute, und sein Kollege Robert V. Farese Jr., MD, sind die anderen korrespondierenden Autoren der Studie. Beide haben Ernennungen an der Harvard Medical School, der TH Chan School of Public Health und dem Broad Institute of MIT and Harvard. Die Studie verwendete die Kryo-EM-Anlage von Harvard.

Kryo-EM verwendet schockgefrorene Proben, Elektronenstrahlen und einen Elektronendetektor anstelle einer Kamera, um Daten über biologische Strukturen auf nahezu atomarer Ebene zu sammeln. Mithilfe von Kryo-EM konnten die Forscher feststellen, dass der von ihnen angenommene „Donut“ tatsächlich ein 10-Einheiten-Käfig war, eine Art Inkubator, um Lipidtröpfchen zu erzeugen und zu züchten. Die zweite Konformation zeigte eine Öffnung des Seipins, um das Lipidtröpfchen auf die Oberfläche des endoplasmatischen Retikulums freizusetzen. Sobald die LDs an der Oberfläche sind, stehen sie dem suppigen Inneren der Zelle (dem Zytoplasma) gegenüber, wo passierende Enzyme die LDs abbauen und die Fettsäuren im Inneren freisetzen können, um Energie bereitzustellen, beispielsweise in Zeiten des Hungers, sagte Dr. Goodman.

„Das Erhalten von zwei Konformationen war erstaunlich, völlig unerwartet“, sagte Dr. Goodman und fügte hinzu, dass zuvor andere Forschungsteams eine Teillösung erhalten hatten, die die untere Schicht des Seipin-Komplexes zeigt, der in dem röhrenartigen endoplasmatischen Retikulum enthalten ist. Die beiden Konformationen in der aktuellen Untersuchung lösen den schwer fassbaren oberen Teil der Struktur, der sich über die Membran der Organelle erstreckt.

„Kryo-EM hat es möglich gemacht“, sagte Dr. Goodman. „Wir hoffen, dass diese Struktur zu einem Weg führt, die Rolle von Seipin bei der Bildung von Lipidtröpfchen mit allem, was bei der Lipodystrophie schief geht, in Verbindung zu bringen und uns dabei zu helfen, die Bildung von Lipidtröpfchen im Allgemeinen besser zu verstehen“, fügte er hinzu. „Es gibt wahrscheinlich mehrere andere Proteine, die an der Bildung von Lipidtröpfchen beteiligt sind, aber Seipin scheint das wichtigste zu sein. Es scheint eine Maschine zu sein, die Lipidtröpfchen erzeugt.“