Wenn sich zwei Zellen trennen: Ein dynamischer Proteinkomplex sorgt für den letzten Schnitt

12.06.2017

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Wiener IMBA konnte erstmals die erstaunlich dynamische Organisation der Proteinmaschinerie ESCRT-III visualisieren, die an eine molekulare Sprungfeder erinnert und Membranen effizient abschnürt, wie das Fachmagazin Nature Cell Biology aktuell berichtet.

Ein dynamisches Modell des ESCRT-III Proteinkomplex gezeichnet von BeataScienceArt.com

Die Gewebe unseres Körpers werden kontinuierlich umgebaut und erneuert. Jeden Tag sterben Milliarden von Zellen ab und müssen durch neue, sich teilende Zellen, ersetzt werden. Für eine reibungslose Zellteilung ist eine Vielzahl von Prozessen notwendig, die genau aufeinander abgestimmt werden müssen.

Finale Abnabelung zweier Zellen dank „Protein-Sprungfeder“
So wie Skelett und Muskeln das Gerüst unseres Körpers ausmachen, bilden faserartige Proteine, die durch Verkettung einzelner Moleküle entstehen –sogenannte Filamente – das Gerüst unserer Zellen. Sie gestalten die Form der Zelloberfläche und ermöglichen wichtige Funktionen wie Zellbewegung, intrazellulären Transport und sind essentiell für die Zellteilung. Dieser Prozess erstreckt sich über mehrere Phasen, bis im letzten Schritt ein dünner Membranschlauch, der die entstehenden Tochterzellen verbindet, durchtrennt wird. Verantwortlich für diese finale Abnabelung zweier Zellen ist ein Protein-Gefüge namens ESCRT-III. 

ESCRT-III besteht aus vielen kleinen Untereinheiten, die sich zu spiralförmigen Strukturen zusammensetzen. Die Spiralstrukturen verengen sich, bis die Zellmembran endgültig abgeschnürt wird. Mit dieser Funktion in der Membranabschnürung ist ESCRT-III auch für viele weitere Prozesse in der Zelle zuständig. So hilft es der Zelle, Löcher in Membranen abzudichten und verschiedene Moleküle innerhalb der Zelle zu transportieren. Auch einige Viren verwenden ESCRT-III, um sich von der Wirtszelle abzuschnüren.

ESCRT-III- Ein dynamisches Protein, das sich ständig selbst erneuert
Ein internationales ForscherInnenteam rund um Daniel Gerlich am Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA) und Aurélien Roux der Universität Genf, gewann mit ihrer aktuellen Forschung, die im Fachmagazin Nature Cell Biology veröffentlicht wurde, erstmals Einblicke, wie sich die spiralförmigen Strukturen organisieren, um all diese wichtigen Zellprozesse zu ermöglichen. 

Bisher wurde angenommen, dass die einzelnen Proteinbausteine in den Spiralstrukturen stabil eingebaut sind und die Membran durch eine Änderung der Spiralform eingeschnürt wird. „Tatsächlich ist ESCRT-III ein sehr dynamisches Protein. Wir konnten herausfinden, dass die einzelnen Untereinheiten 50 bis 100-mal schneller ausgetauscht werden, als die Struktur wächst und sich räumlich umorganisiert. ESCRT-III erneuert sich also praktisch ständig. Ein Enzym namens VPS4 hilft bei dieser ständigen Umschichtung von Baublöcken“, erklärt Beata Mierzwa, die sich Rahmen ihrer Doktorarbeit und ihrer anschließenden Forschung am IMBA intensiv mit den Eigenheiten von ESCRT-III beschäftigt hat. Ursprünglich dachten die Forscher, dass VPS4 die einzelnen Baublöcke ausschließlich entfernt, doch zu ihrer Überraschung scheint es den ständigen Austausch der einzelnen Bestandteile und somit das Wachstum von ESCRT-III zu stimulieren.

Um diesen Membran-Abschnürungsprozess im Labor nachzustellen, isolierten die ForscherInnen die ESCRT-Proteine und brachten sie auf eine künstliche Membran. Dank innovativer Methoden wie High-Speed Atomic Force Mikroskopie konnten sie die Dynamik von ESCRT live beobachten und erstmals wachsende und schrumpfende Spiral-Strukturen visualisieren.

"Unsere Erkenntnisse bieten ein völlig neues Modell als bisher angenommen. Die von uns entdeckte dynamische Umorganisation von ESCRT-III bringt neues Licht in die vielen Funktionen dieses zentralen Membranregulators, denn bisher ging man von dauerhaften Spiralstrukturen aus“, sagt Daniel Gerlich, IMBA Gruppenleiter und Letztautor der Studie. „Unsere Erkenntnisse erklären etwa, wie sich ESCRT-III an die vielfältigen Membranstrukturen in unterschiedlichen biologischen Prozessen anpassen kann und wie Membranen über große Entfernungen verformt und abgeschnürt werden können. Wir freuen uns, dass wir neue Einblicke in die faszinierende Organisation der Zellen gewinnen konnten und die Vielzahl von biologischen Prozessen, an denen ESCRT-III beteiligt ist, nun besser verstehen.“ 

Originalpublikation:
"Dynamic instability in ESCRT-III assemblies”
Beata E. Mierzwa, Nicolas Chiaruttini, Lorena Redondo-Morata, Joachim Moser von Filseck, Julia König, Jorge Larios, Ina Poser, Thomas Müller-Reichert, Simon Scheuring, Aurélien Roux, Daniel W. Gerlich
Nature Cell Biology, DOI: 10.1038/ncb3559

Über die Illustration: Kunst und Wissenschaft- Zwei Leidenschaften vereint in einer Zeichnung
Beata Mierzwa, die Erstautorin der Studie, hat auch die Illustration zu ESCRT-III selbst gestaltet. Die junge Forscherin hat sich im Rahmen ihrer Doktorarbeit am IMBA intensiv mit den molekularen Maschinen der Zellteilung beschäftigt. Eine zweite Leidenschaft von Beata ist die Kunst, die sie als Mittel sieht, komplexe Forschung einfach und kreativ zu vermitteln. Zunächst begann sie, ihre eigenen Artikel und die Arbeiten ihrer Labor-Kollegen zu illustrieren – ihre wissenschaftlichen Kunstwerke entstanden und fanden über ihre Arbeitsgruppe hinaus Anklang und zieren nun die Cover von wissenschaftlichen Zeitschriften und Konferenzen. Bei einer Fachtagung präsentierte sie ihre Erkenntnisse rund um ESCRT-III in einem selbst designten Kleid, das den komplexen molekularen Mechanismus modisch illustrierte. Beata Mierzwa zeigt sehr schön, wie Kunst und Wissenschaft Hand in Hand gehen können und wie man Wissenschaft kreativ und unkonventionell vermitteln kann.

Auch am IMBA selbst wird die Verbindung von Kunst und Wissenschaft hochgehalten. Mehrere Kunstwerke, die durch eine Kooperation mit der Universität für Angewandte Kunst entstanden, sind am IMBA zu sehen. Erst kürzlich wurde die Serie „Art and Science: Bridging two Cultures“ vom IMBA und der viennacontemporary initiiert, mit dem Ziel, die beiden Welten Kunst und Wissenschaft einander näher zu bringen und die vielen Gemeinsamkeiten hervorzuheben, die diese auf den ersten Blick so unterschiedlichen Disziplinen haben. Nobelpreisträger Eric Kandel erläuterte bei der Auftaktveranstaltung der Serie, wie Wissenschaft eine Erklärung dafür geben kann, in welcher Art und Weise wir Kunstwerke wahrnehmen und ihnen Bedeutung zumessen.

Über IMBA:
Das IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie gehört zu den führenden biomedizinischen Forschungsinstituten in Europa. Im Fokus stehen medizinisch relevante Fragestellungen aus den Bereichen Stammzellbiologie, RNA-Biologie, Molekulare Krankheitsmodelle und Genetik. Das Institut befindet sich am Vienna Biocenter, einem dynamischen Konglomerat aus Universitäten, akademischer Forschung und Biotechnologie-Unternehmen. Das IMBA ist ein Tochterunternehmen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der führenden Trägerin außeruniversitärer Forschung in Österreich.
www.imba.oeaw.ac.at

The Vienna Biocenter in the third district of Vienna has established itself as the premier location for life sciences in Central Europe and is a world-leading international bio-medical research center.

 

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