Neue Forschung aus dem Lippincott-Schwartz-Labor am Janelia Research Campus des HHMI präsentiert auf der Cell Bio 2022 bietet einen genauen Blick auf die einzelnen Moleküle, die die Kommunikation zwischen Zellstrukturen erleichtern. Die neue Forschung, die auch als veröffentlicht wird Vorabdruck auf bioRxivzeigt, dass diese molekularen Fesseln viel dynamischer und komplexer sind als bisher angenommen, und enthüllt neue Erkenntnisse über ihre Rolle bei der Unterstützung der Zellerhaltung.
An Kontaktstellen, an denen Organellmembranen einander berühren, bilden sich Proteinkomplexe, die als molekulare Bindungen bezeichnet werden, und helfen dabei, Moleküle über diese Stellen zu übertragen und die Kommunikation zwischen Organellen zu ermöglichen.
Die Wissenschaftler wussten, dass diese Grenzfläche für viele biologische Prozesse wichtig ist, aber es war schwierig, die einzelnen Moleküle abzubilden und vollständig zu verstehen, was an diesen Kontaktstellen passiert. Viele Wissenschaftler hielten diese Fesseln für stabile Proteinkomplexe, die an den Kontaktstellen verblieben.
Fokussierte Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM) zeigt die Assoziation zwischen endoplasmatischem Retikulum und mitochondrialen Kontaktstellen und bekannter Kontaktstellen-assoziierter Biologie. Mitochondrien (blau), ER (cyan), ER-Membran in ungefährer Entfernung zum Organellen-Tether VAPB (rot). Bildnachweis: Obara et al.
Die neue Studie verwendete 3D-Elektronenmikroskopie und Hochgeschwindigkeits-Einzelmolekülbildgebung an lebenden Zellen, um die molekularen Verbindungen zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und den Mitochondrien in Echtzeit genauer zu untersuchen.
Die Forscher fanden heraus, dass diese Fesseln in ständiger Bewegung sind und nur wenige Sekunden an der Kontaktstelle verbleiben, bevor sie mit anderen Fesseln ausgetauscht werden. Die Tether binden und lösen kontinuierlich Organellen und verändern die Größe und Konfiguration der Kontaktstelle als Reaktion auf Veränderungen in der Zelle.
Die Einzelpartikel-Tracking-Photoaktivierungs-Lokalisierungsmikroskopie (sptPALM) folgt der Bewegung einzelner Haltemoleküle und erfasst gleichzeitig die Position des ER und der Mitochondrien. Bildnachweis: Obara et al.
Diese ständigen Veränderungen könnten helfen zu erklären, wie Zellen so schnell auf Veränderungen reagieren können, und darauf hindeuten, dass diese molekularen Verbindungen als modulare Kommunikationsknotenpunkte zur Koordinierung der Zellphysiologie fungieren könnten.
Die neuen Erkenntnisse zeigen die Bedeutung der dynamischen Zellbildgebung und könnten zum Verständnis einiger neurodegenerativer Erkrankungen beitragen. Die neue Forschung deutet darauf hin, dass eine mit ALS assoziierte Mutation die Fähigkeit eines Halteseils beeinflusst, an der Kontaktstelle zu binden und sich zu lösen, was möglicherweise die effektive Zellkommunikation stört.
Die Analyse der Einzelpartikel-Tracking-Photoaktivierungs-Lokalisierungsmikroskopie (sptPALM) zeigt, wie sich einzelne Organellen-Tether-Moleküle vor und nach der Interaktion mit der Kontaktstelle verhalten. Selbst innerhalb eines kurzen Zeitfensters erforschten viele verschiedene Ankermoleküle jede Kontaktstelle. Die Haltemoleküle befanden sich nur kurz innerhalb einer Kontaktstelle, wobei die meisten Moleküle die Stelle innerhalb weniger Sekunden verließen. Bildnachweis: Obara et al.
Mehr Informationen:
Christopher J. Obara et al., Bewegung einzelner molekularer Tether enthüllt dynamische Subdomänen an ER-Mitochondrien-Kontaktstellen, bioRxiv (2022). DOI: 10.1101/2022.09.03.505525