Proteintransport vom ER zum Golgi-Apparat nicht über COPII-umhüllte Vesikel

Ein Drit­tel der für Leben­sprozesse essen­tiellen Pro­teine wer­den in der Zelle im endo­plas­ma­tis­chen Retiku­lum (ER) hergestellt und über Mem­bran­bläschen verteilt. Die Sortierung der Pro­teine an den Aus­trittsstellen des ER und der Trans­port zum Gol­gi-Appa­rat wird von COPII-genan­nten Pro­tein­hül­lkom­plex­en über­nom­men, doch nicht wie bish­er angenom­men. Forsch­er aus Israel und Deutsch­land fan­den her­aus, dass die COPII-Kom­plexe das ER für den Trans­port nicht ver­lassen. Sie verbleiben als Pfört­ner an den Aus­trittsstellen des ER und steuern die Rekru­tierung, Sortierung und den Aus­tritt der Pro­teine zum Gol­gi-Appa­rat. Die neuen Erken­nt­nisse kön­nten zu einem Par­a­dig­men­wech­sel in der Zell­bi­olo­gie führen.
So wie im täglichen Leben unzäh­lige Briefe oder Pakete mit Waren ver­schickt wer­den, gibt es ähn­liche Trans­port­prozesse auch in jed­er Zelle unseres Kör­pers. Tagtäglich müssen neu syn­thetisierte Pro­teine, die „Waren“, mit hoher Zuver­läs­sigkeit an ihren endgülti­gen Bes­tim­mung­sort trans­portiert wer­den. Hin­ter den Kulis­sen erfordert dieser Trans­port eine umfan­gre­iche Logis­tik, denn nur so kön­nen die Pro­teine gezielt von Sta­tion zu Sta­tion weit­ergeleit­et wer­den, um sie von ihrem Syn­the­se­ort an ver­schiedene Stellen inner­halb der Zelle oder aus der Zelle hin­aus an ver­schiedene Orte im Kör­p­er zu transportieren.
Ein Drit­tel aller neu syn­thetisierten Pro­teine wird in den Zellen über den sekre­torischen Weg trans­portiert. Dieser Weg beste­ht aus dem endo­plas­ma­tis­chen Retiku­lum (ER), der “Fab­rik”, und dem Gol­gi-Appa­rat, dem wichtig­sten “Logis­tikzen­trum” für die weit­ere Verteilung der Ware in der Zelle. Doch wie kommt die Ware von der Fab­rik zum Logis­tikzen­trum, also vom ER zum Golgi-Apparat?
Die bis dato vorherrschende Ansicht in der Zell­bi­olo­gie ist, dass sich durch Abschnürung (Abknospung) vom ER kleine Mem­bran­vesikel bilden, die mit den zu trans­portieren­den Pro­teinen beladen wer­den. Diese Mem­bran­vesikel verbinden sich dann zu größeren Trans­port­be­häl­tern, die ent­lang soge­nan­nter “Eisen­bahn­schienen”, den Mikro­tubu­li in der Zelle, let­ztlich zum Gol­gi-Appa­rat trans­portiert werden.
Dort ver­schmelzen diese Trans­port­be­häl­ter mit der Gol­gi-Mem­bran und geben ihre Ware, die Pro­teine, zur weit­eren Verteilung frei. Wichtig für diesen Prozess ist eine spezielle Hülle, die COPII-Hülle, die dabei hil­ft, zu Beginn des Trans­portes die Pro­teine am ER zu konzen­tri­eren und in Mem­bran­vesikeln abzu­knospen, die deshalb COPII-umman­telte Vesikel (Trans­portvesikel; (engl. coat pro­tein com­plex II = „Man­tel-Pro­tein-Kom­plex II“) genan­nt wer­den. Doch dieses Wis­sen muss nun über­ar­beit­et werden.

Paradigmenwechsel in der Zellbiologie

Israelis­che Forsch­er um Prof. Koret Hirschberg von der Tel Aviv Uni­ver­si­ty (TAU) und deutsche Forsch­er um Dr. Christoph Kaether vom Leib­niz-Insti­tut für Alterns­forschung — Fritz-Lip­mann-Insti­tut (FLI) in Jena legten jet­zt in ein­er im Jour­nal of Cell Biol­o­gy veröf­fentlicht­en Studie ein anderes Mod­ell für den Pro­tein­trans­port in der Zelle und die Rolle von COPII nahe.

“Es gestal­tete sich für uns sehr schwierig, diese neuen Ergeb­nisse zu veröf­fentlichen, weil sie unser Wis­sen in der Zell­bi­olo­gie, die Hypothese des Vesikel­trans­ports, deut­lich wider­legen. Ohne die Zusam­me­nar­beit mit Dr. Kaether und seinem Team am FLI, wäre die vor­liegende Studie gar nicht umset­zbar gewesen”.
— Prof. Hirschberg
 

COPII-Komplex — Erste Sortierstation für Proteine

Das Forscherteam erhielt mit Hil­fe neuester mikroskopis­ch­er Meth­o­d­en Ein­blicke in lebende Säugetierzellen und kon­nte durch ergänzende bio­chemis­che Analy­sen bestäti­gen, dass die COPII-Kom­po­nen­ten eine wichtige Rolle beim Trans­port­prozess spie­len. Doch nicht so, wie es das Schul­wis­sen bis dato ver­mit­telt. Im Gegen­satz zur vorherrschen­den Mei­n­ung, dass COPII-umhüllte Vesikel die Pro­teine trans­portieren, ver­lassen die COPII-Kom­plexe das endo­plas­ma­tis­che Retiku­lum nicht. Sie verbleiben dauer­haft an den Aus­trittstellen des ER und übernehmen dort die Rekru­tierung, Sortierung und den Aus­tritt der Pro­teine aus dem ER.

COPII-Komplexe sind stabil und unbeweglich

Die Pro­teine ver­lassen das ER also nicht in COPII-umhüll­ten Vesikeln, wie bish­er pos­tuliert, son­dern in größeren, oft langgestreck­ten COPII-freien Trans­portein­heit­en. „Anstatt Vesikel abzu­knospen und zu umhüllen, wirkt COPII wie ein Pfört­ner direkt an der Gren­ze zwis­chen ER und ERES, den Aus­trittsstellen des ER, wo er die Konzen­tra­tion der Ladung kon­trol­liert und steuert“, so Dr. Kaether.
Eine zeit­gle­ich veröf­fentlichte Studie in Cell (https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.035) von Jen­nifer Lip­pin­cott-Schwartz, ein­er renom­mierten Mem­brantrans­port­ex­per­tin vom Howard Hugh­es Med­ical Insti­tute, USA, kam zu sehr ähn­lichen Forschungsergeb­nis­sen und unter­mauert die Dat­en der FLI/­TAU-Kol­lab­o­ra­tion.
“Bei­de Arbeit­en verän­dern die heutige Sicht auf einen der grundle­gend­sten Prozesse in der Zell­bi­olo­gie, den Export aus dem ER“, unter­stre­icht Dr. Kaether die Ergeb­nisse. „Da es sich hier­bei für die Zelle um einen essen­tiellen Trans­portweg han­delt, ist es nicht ver­wun­der­lich, dass er auch beim Altern­sprozess und bei vie­len Krankheit­en eine wichtige Rolle spielt — von häu­fi­gen Krankheit­en wie Krebs über neu­rol­o­gis­che Erkrankun­gen bis hin zu sel­te­nen Erbkrankheit­en”, ergänzt Dr. Kaether, der mitver­ant­wortliche Autor vom FLI.