Struktur der Kinetochorkorona endlich aufgeklärt

Bei der Zellteilung in einer Mutterzelle müssen die 23 Chromosomen, die das menschliche Genom tragen, zunächst kopiert und später an zwei sich neu bildende Tochterzellen abgegeben werden. Zumindest in gesunden Zellen ist das Ergebnis erstaunlich makellos und es geht kein Chromosom verloren. Nicht so bei malignen Zellen, wo grassierende Chromosomensegregationsfehler einen kontinuierlichen Fluss neuer genetischer Varianten erzeugen, die das Metastasenwachstum und die Resistenz gegen Chemotherapie unterstützen. Eine vielschichtige Proteinstruktur namens Kinetochor führt das Chromosomenlieferprogramm aus. In einem hochgradig interdisziplinären gemeinsamen Kraftakt untersuchten die Gruppen von Andrea Musacchio und Stefan Raunser am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie die äußerste Schicht dieser Struktur, die Kinetochorkorona. Mit Hilfe von Einzelpartikel-Kryoelektronenmikroskopie und Proteinrekonstitution enthüllten sie die strukturelle Organisation des Hauptbausteins der Korona, des RZZ-Komplexes, und entschlüsselten den Mechanismus des Koronaaufbaus. Ihre Ergebnisse beleuchten die molekularen Grundlagen der Genomvererbung über Generationen hinweg.

Die Zellteilung baut unseren Körper auf und versorgt alle Zellen in unseren Geweben und Organen, von der Haut bis zum Darm, vom Blut bis zum Gehirn. Es ermöglicht diesen Organen nicht nur zu wachsen, sondern sich bei Bedarf auch mit frischen Zellen zu regenerieren. Die Zellteilung beginnt mit der Replikation von Chromosomen, den Trägern der drei Milliarden Nukleotide des menschlichen Genoms. Die replizierten Chromosomen werden dann in einem als Mitose bezeichneten Prozess an die Tochterzellen verteilt. Während der Mitose werden zunächst die Chromosomen von einem Netzwerk fadenartiger Strukturen, der sogenannten Mitosespindel, eingefangen. Nachdem sie in einem hoch choreografierten Prozess positioniert wurden, trennt die Spindel die Chromosomen in entgegengesetzter Richtung, sodass, wenn sich zwei Zellen aus einer herausbilden, jede eine exakte Kopie des Genoms erbt. Selbst die kleinsten Fehler in diesem Prozess haben schwerwiegende physiologische Folgen.

Eine vielschichtige Herausforderung

Das Kinetochor ist der Kontaktpunkt der Chromosomen mit der Spindel und ist daher entscheidend am Prozess der Chromosomenausrichtung und -teilung beteiligt. Es ist ein komplizierter vielschichtiger Proteinkomplex. „Das Verständnis von Kinetochoren ist eine enorme Herausforderung, da sie aus mehreren Schichten bestehen, die jeweils aus vielen interagierenden Bausteinen bestehen“, sagt Musacchio. „Die äußerste Schicht, die Korona, hat einige der interessantesten Geheimnisse des Kinetochors bewahrt. Sein Zusammenbau ist besonders interessant, da der Komplex eine kurze Lebensdauer hat, die kurz vor den kritischen Schritten der Chromosomenausrichtung und -segregation endet.“

In einer Reihe früherer Studien machte Musacchios Labor grundlegende Einblicke in die Struktur und Funktion der verschiedenen Schichten von Kinetochoren und wie sie Chromosomen mit Mikrotubuli verbinden. Um dieses Wissen zu erlangen, verfolgte die Gruppe einen reduktionistischen Ansatz namens biochemische Rekonstitution. Die einzelnen Bausteine ​​der Proteinnetzwerke stellten sie außerhalb der Zelle im Reagenzglas her. Sie setzten sie dann Stück für Stück wieder zusammen, um einen fast vollständigen Kinetochor zu bilden, den sie isoliert in einer kontrollierten und vereinfachten Umgebung studieren konnten, die einen Kontrast zu dem enorm komplexen, summenden Inneren einer Zelle bildet.

Mit der gleichen Strategie hat das erfahrene Team aus zwei Postdocs, Tobias Raisch und Giuseppe Ciossani, zwei Ph.D. Studenten, Ennio d’Amico und Verena Cmentowski, und anderen Mitarbeitern ist es nun gelungen, die Kinetochor-Korona nachzubauen. Sie zeigten, dass dafür nur zwei Komponenten ausreichen: der Proteinkomplex ROD-Zwilch-ZW10 (RZZ) und das Protein Spindly, das eine wesentliche Rolle bei der Interaktion des Kinetochors mit den Mikrotubuli spielt. Die Korona baut sich ausschließlich auf Kinetochoren auf, und die Mechanismen, die ihr Wachstum auf diese Strukturen beschränken, blieben eine entscheidende ungelöste Frage. Durch Rekonstitution des Prozesses in vitro konnten die Wissenschaftler ein Enzym, die Kinase MPS1, als wesentlichen Katalysator der RZZ-Corona-Assemblierung am Kinetochor identifizieren.

Der Krone einen Schritt näher

Die Elektronenmikroskopie (EM) begleitet die Untersuchung von Kinetochoren seit den 1960er Jahren, aber erst vor kurzem ermöglichten aufkeimende methodologische Entwicklungen, dass diese Technik die Bausteine ​​auf atomarer Ebene sichtbar machen konnte. „2017 haben wir das allererste 3D-Strukturmodell des RZZ-Komplexes per Kryo-EM generiert“, sagt Raunser. „Bei der Auflösung von 1 nm dieses ersten Modells war es jedoch unmöglich, die feinsten molekularen Details zu beobachten, die für die biologische Funktion verantwortlich sind.“

Die neue Strukturanalyse verbesserte die Auflösung bis zu dem Punkt, an dem atomare Details auftauchten, und erklärte schließlich, wie Wechselwirkungen von RZZ-Komponenten mit sich selbst und mit Spindly die Koronaanordnung zu einem großen Polymer fördern, das das Kinetochor umgibt. „Unsere Arbeit krönt eine Reihe früherer Studien zur Kinetochorkorona und liefert uns nun einen Rahmen, um den kritischen Moment der Zellteilung zu verstehen, wenn die Anheftung von Chromosomen an Mikrotubuli im Wesentlichen irreversibel wird“, schließt Musacchio. Die zukünftigen Studien des Teams werden versuchen, die Korona in rekonstituierte Kinetochoren zu integrieren und damit einen neuen wichtigen Schritt in Richtung der Rekonstitution der Chromosomentrennung in vitro zu machen, ein Ziel von außergewöhnlichem Ehrgeiz, das Licht auf die Grundlage eines grundlegendsten Lebensprozesses werfen wird.

Die Studie wurde veröffentlicht in Das EMBO-Journal.

Bereitgestellt vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie