Wir bringen Licht in ein jahrzehntealtes Geheimnis der Proteinsortierung

Christian de Caestecker, ein Ph.D. Studentin im Labor von Ian Macara, Louise B. McGavock-Professorin und Vorsitzende der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie, hat einen Mechanismus vorgeschlagen und validiert, der ein jahrzehntealtes Rätsel rund um Epithelzellen löst. de Caesteckers Forschung, veröffentlicht In Naturzellbiologiewirft Licht auf den Prozess, durch den Epithelzellen, polarisierte Zellen, die der Außenwelt zugewandt sind, die speziellen Proteine, die sie benötigen, sortieren und an der obersten (äußersten) Oberfläche jeder Zelle abgeben.

Epithelzellen sind wie Kästen organisiert, wobei die Oberseiten und Seiten als apikale und laterale Oberflächen bezeichnet werden. Um ihre Funktionen ordnungsgemäß zu erfüllen, müssen Epithelzellen die Proteine ​​genau auf jede Oberfläche sortieren, und Defekte bei der Zufuhr solcher Proteine ​​können bei zahlreichen menschlichen Krankheiten wie Krebs eine Rolle spielen.

„Die meisten Krebsarten beim Menschen sind epithelialen Ursprungs und weisen Defekte in der Verteilung polarisierter Membranproteine ​​auf“, sagte Macara. „Wie die Abgabe an die obere oder apikale Oberfläche erfolgt, blieb jahrzehntelang ein Rätsel, aber Christians Brillanz und harte Arbeit führten zu einem wichtigen Durchbruch.“

Frisch synthetisierte Proteine ​​werden zur weiteren Verarbeitung und Sortierung an ihren endgültigen Bestimmungsort über einen Prozess analog zum Postdienst an die Golgi geschickt. Der Transport zu den Seiten der Zelle ist aufgrund des Vorhandenseins von „Postleitzahlen“ in Proteinen gut verstanden, die der Zelle mitteilen, welchen Weg das Protein zur Zelloberfläche nehmen soll.

Apikalen Proteinen fehlen äquivalente Postleitzahlen, sodass der apikale Sortierprozess immer noch schwerer zu fassen ist. In Anbetracht der Tatsache, dass viele apikale Membranproteine ​​sehr kurze oder nicht vorhandene zytoplasmatische Domänen haben – was bedeutet, dass sich der Großteil ihrer Masse innerhalb oder außerhalb der Plasmamembran und nicht innerhalb der Zelle befindet – stellte de Caestecker die Hypothese auf, dass Proteine, die zur apikalen Membran gelangen sollen, sortiert sind am Golgi durch die physikalische Größe der zytoplasmatischen Domänen.

Um diese Idee zu testen, untersuchte er drei repräsentative apikale Proteine ​​mit kurzen zytoplasmatischen Schwänzen und nutzte Ansätze der synthetischen Biologie, um die Größe ihrer Schwänze zu verändern und zu beobachten, wie sich dies auf die Sortierung auswirkte. de Caestecker fand heraus, dass die Proteine ​​bei der Verlängerung ihrer zytoplasmatischen Schwänze eine deutliche Verzögerung bei der Verarbeitung und beim Austritt aus dem Golgi erlebten und fälschlicherweise an die Seiten der Zelle statt an die Oberseite abgegeben wurden.

Darüber hinaus beobachteten sie mithilfe hochauflösender Mikroskopie am Cell Imaging Shared Resource die Aufteilung der kleinen und sperrigen Ladungen in verschiedene Regionen des Golgi während des Transports, was darauf hindeutet, dass ein großer zytoplasmatischer Schwanz den Zugang zu möglicherweise beteiligten Spezialdomänen innerhalb des Golgi blockiert bei Abgaben an die apikale Membran.

de Caestecker testete auch, ob apikale Proteine, die Bindungspartner haben, einzeln sortiert oder gebunden sind, und stellte fest, dass die Proteine ​​und ihre Bindungspartner zwar gemeinsam zum Golgi transportiert werden, sich aber dissoziieren, bevor sie zur apikalen Membran transportiert werden. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass der Golgi einen Größenfilter verwendet, um zu bestimmen, ob ein Protein zur apikalen Membran transportiert werden soll oder nicht.

„Wie Zellen polarisierte Proteine ​​sortieren und in ihre entsprechenden Domänen transportieren, ist eine grundlegende Frage in der Zellbiologie“, sagte de Caestecker. „Wir müssen diesen Prozess zunächst in normalen Zellen verstehen, um herauszufinden, wie er bei Krankheiten wie Krebs gestört ist.“