Wie Zellen komplexe Maschinen präzise zusammenbauen

Proteine ​​sind die Arbeitspferde der Zelle und erfüllen Funktionen, die dafür sorgen, dass alles reibungslos funktioniert. Einige Proteine ​​​​arbeiten eigenständig, in anderen Fällen fügen sich jedoch viele Proteine ​​​​zu einer komplexen Maschine zusammen. Diese Proteine ​​sind in der Lage, gemeinsam mehr zu leisten, als sie es alleine könnten, genauso wie ein einzelner Motor leistungsstark, aber nicht annähernd so nützlich ist wie ein Motor, der mit anderen Teilen kombiniert wird, um ein Auto zu bauen.

Die Anweisungen zum Aufbau jedes einzelnen Proteins stammen aus der DNA, aber die Forscher verstehen nicht vollständig, wie Zellen den Zusammenbau vieler Proteine ​​zu einer größeren Maschine regulieren. Zellen müssen ihre Maschinen nicht nur präzise zusammenbauen, sondern sie müssen dies auch zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort tun, damit die Maschinen ihre Aufgabe erfüllen können – andernfalls kann die Maschine ausfallen oder Schäden verursachen, weil sie ihre Arbeit nicht ordnungsgemäß erledigt.

Eine wichtige Aufgabe, für die die Zelle auf eine komplexe Maschinerie angewiesen ist, ist die Teilung der Chromosomen während der Zellteilung. Wenn sich eine Zelle teilt, dupliziert sie ihre Chromosomen und organisiert und verteilt sie dann sorgfältig, sodass jede Tochterzelle am Ende einen vollständigen und genauen Chromosomensatz erhält.

Während der Zellteilung beim Menschen und vielen anderen Lebewesen ordnen sich Paare passender Chromosomen in der Mitte der Zelle an. Die Zellmaschinerie versammelt sich an einem zentralen Punkt auf jedem Chromosom, dem sogenannten Zentromer, um die beiden Chromosomen in jedem passenden Paar zu trennen und sie zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle zu ziehen, wo sie sich zu den beiden Tochterzellen verbinden.

Wenn sich die Maschinerie nicht genau am Zentromer zusammensetzt, kann sie die Chromosomen auseinanderreißen oder sie falsch in die neuen Zellen einsortieren. Diese Fehler können die Zellen abtöten oder Defekte erzeugen, die zu Krankheiten führen können.

Die Maschinerie, die sich an das Zentromer bindet und dabei hilft, die Chromosomen richtig zu sortieren und zu transportieren, wird Kinetochor genannt. Beim Menschen handelt es sich um einen riesigen Komplex, der aus vielen Kopien vieler verschiedener Proteine ​​besteht. Trotz der Bedeutung der Kinetochorposition für die ordnungsgemäße Zellteilung wussten die Forscher nicht, wie Zellen steuern, wo auf den Chromosomen sich die Kinetochoren anordnen.

Iain Cheeseman, Mitglied des Whitehead Institute, der damalige Doktorand in seinem Labor Gunter Sissoko, außerordentliche Professorin der Perelman School of Medicine an der University of Pennsylvania, Ekaterina Grishchuk, und Doktorandin in ihrem Labor Ekaterina Tarasovetc entwickelten eine Reihe von Werkzeugen, die es ihnen ermöglichten, dieses Rätsel zu lösen , wie im Tagebuch beschrieben Naturzellbiologie am 2. Januar.

Die Forscher fanden heraus, dass der entscheidende Faktor dafür, wo sich das Kinetochor zusammensetzt, die lokale Konzentration der Kinetochor-Moleküle ist. Um den Zusammenbau auszulösen, müssen genügend Moleküle nahe beieinander im selben Raum sein. Die Forscher stellten dies fest, indem sie Kinetochor-ähnliche Partikel entwickelten, die es ihnen ermöglichten, Aspekte der Interaktion einer großen Anzahl von Kinetochor-Proteinen zu untersuchen, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden oder wenn sie weit voneinander entfernt sind.

„Wir haben nicht verstanden, warum das Kinetochor ein großer Komplex mit so vielen Kopien seiner vielen Komponenten sein muss“, sagt Sissoko. „Jetzt wissen wir, dass die dadurch entstehende Dichte an Kinetochor-Proteinen für den Aufbau der gesamten Struktur notwendig ist.“

CENP-A markiert die Stelle, kann aber abweichen

Dieses Projekt begann mit einer rätselhaften Beobachtung. Ein Protein namens CENP-A markiert jederzeit das Zentromer und bildet die eigentliche Basis des Kinetochors: Alle anderen Teile der Struktur werden sich auf und um CENP-A herum anordnen. Daher könnte man annehmen, dass CENP-A den Ort der Kinetochor-Assemblierung bestimmt. Allerdings kann CENP-A manchmal außerhalb des Zentromers gefunden werden.

Beispielsweise kann sich in Krebszellen oder in Zellen, in denen Forscher die CENP-A-Produktion künstlich steigern, das Protein an anderer Stelle auf den Armen des Chromosoms einbetten, und dennoch sammeln sich Kinetochoren nicht auf diesen fehlerhaften CENP-A-Molekülen an. Es machte Sinn, dass die Zelle über einen anderen Mechanismus verfügen muss, um eine fehlerhafte Kinetochor-Assemblierung zu verhindern, wenn CENP-A dazu neigt, aus dem Zentromer auszutreten, da die Ergebnisse für die Zelle katastrophal sein könnten – aber was war der Mechanismus?

Die Forscher vermuteten, dass sich Kinetochore möglicherweise nur an Orten ansammeln, die eine hohe Konzentration an CENP-A aufweisen, etwa im Zentromer, und nicht an Orten, an denen nur wenig CENP-A vorhanden ist. Es ist bekannt, dass andere Prozesse in der Zelle auf ähnliche Weise reguliert werden. Moleküle werden auf demselben kleinen Raum konzentriert, um ihre Wechselwirkungen zu erleichtern.

CENP-A ist schwer zu untersuchen, da es in das Chromosom eingebettet ist. Um diese Hypothese zu testen, entschieden sich die Forscher, sich CENP-T anzusehen, ein Protein, das Teil derselben Kinetochor-Substruktur wie CENP-A ist. Zusammen bilden viele Kopien dieser Unterstruktur das innere Kinetochor, das dazu dient, den Komplex am Zentromer zu verankern und dann den Aufbau des äußeren Kinetochors zu rekrutieren oder auszulösen. CENP-T spielt eine entscheidende Rolle bei der Rekrutierung des äußeren Kinetochors, der Chromosomen mit Mikrotubuli verbindet, dem Autobahnsystem der Zelle, das zum Auseinanderziehen der Chromosomen dient.

Die Forscher schufen im Wesentlichen große Kugeln aus CENP-T und anderen Bindemolekülen, die ihre Funktion nicht beeinträchtigen würden. Diese Kugeln stellten die Dichte von CENP-T wieder her, die in einem Kinetochor zu finden wäre. Sie schufen auch ein weiteres CENP-T-Konglomerat, in dem sie die Anzahl der CENP-T-Moleküle in der Gruppe genau steuern und dann messen konnten, wie sich Gruppen unterschiedlicher Größe auf die Fähigkeit des Ganzen auswirkten, äußere Kinetochor-Proteine ​​zu rekrutieren.

„Gemeinsam haben unsere Labore ein neuartiges experimentelles System zur Nachbildung menschlicher Kinetochor-Partikel entwickelt“, sagt Tarasovetc. „Dadurch konnten wir nicht nur untersuchen, wie Zellen die Bildung funktioneller Kinetochoren zu bestimmten Zeiten und an bestimmten Orten steuern, sondern die Partikel dienen auch als hervorragende Werkzeuge für die Untersuchung anderer interessanter Fragen, beispielsweise der Mechanismen der Chromosomenbewegung.“

Mit diesen Werkzeugen fanden die Forscher heraus, dass CENP-T äußere Kinetochorproteine ​​viel besser binden konnte, wenn es von anderen CENP-T-Molekülen umgeben war, als wenn ein CENP-T allein arbeitete – und dass auch größere Gruppen von CENP-T besser waren als kleine Gruppen. Jedes CENP-T-Molekül ist in der Lage, zwei Moleküle von NDC80, einem kritischen Bestandteil des äußeren Kinetochors, direkt zu binden.

Als die Forscher CENP-T in einer großen Gruppe untersuchten, hatte im Durchschnitt jedes CENP-T die maximale Anzahl an NDC80-Molekülen gebunden. Als sie jedoch allein arbeitende CENP-T-Moleküle untersuchten, war es den meisten einzelnen CENP-T-Molekülen nicht gelungen, auch nur ein einziges NDC80 zu binden.

„Es gibt einen regulatorischen Schalter, der sich umlegt, wenn der innere Kinetochor genügend CENP-T rekrutiert, sodass CENP-T den äußeren Kinetochor rekrutieren kann“, sagt Cheeseman, der auch Biologieprofessor am Massachusetts Institute of Technology ist. „Wenn man dieses Protein allein hat, hat es immer noch all diese Bindungsschnittstellen, nutzt sie aber nicht. Wenn man diese Schwellendichte von CENP-T erreicht, kann es plötzlich die Bildung dieser Strukturen wirklich in Gang setzen.“

Die von den Forschern geschaffenen Partikel funktionieren so ähnlich wie menschliche Kinetochore, dass die Forscher sie zur Beantwortung weiterer Fragen zur Kinetochorfunktion nutzen wollen. Sie hoffen, dass andere Forscher ihren Ansatz ebenfalls nutzen, um das Kinetochor zu untersuchen oder allgemeiner zu untersuchen, wie sich die lokale Konzentration verschiedener Proteine ​​auf deren Funktion auswirkt. Die Forscher arbeiten auch daran, den Mechanismus herauszufinden, durch den CENP-T NDC80 besser binden kann, wenn es von anderen CENP-T-Molekülen umgeben ist.

„Während allgemein bekannt ist, dass sich Kinetochore durch die Bindung von Proteinen wie NDC80 und CENP-T in einer bestimmten Reihenfolge zusammensetzen, brachte unsere Studie eine erfreuliche Überraschung zutage. Der Prozess ist nicht so einfach, wie es scheint, und die Bindung von NDC80 an CENP-T.“ hängt davon ab, ob CENP-T in einer geclusterten Form vorliegt“, sagt Grishchuk. „Wir freuen uns darauf, mehr über den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus zu erfahren.“