Stutzen des Zytoskeletts bewegt unsere Zellen

Sta­bil­ität hohe Flex­i­bil­ität: Das zeich­net unsere Zellen aus. Sie kön­nen ihre Form verän­dern und sich sog­ar im Gewebe bewe­gen. Die dafür benötigten Kräfte entste­hen durch ein dynamis­ches Net­zw­erk aus verzweigten Akt­in­fil­a­menten, dem Zytoskelett. Ein inter­diszi­plinäres Team um Peter Biel­ing und Ste­fan Raunser vom Max-Planck-Insti­tut für moleku­lare Phys­i­olo­gie (MPI) in Dort­mund hat nun einen bish­er unbekan­nten Mech­a­nis­mus aufgedeckt, der erk­lärt, wie das Kap­pen von alten Akt­in­fil­a­menten das Wach­s­tum neuer Fil­a­mente fördert. So wer­den die Struk­tur und die Funk­tion des Zytoskeletts aufrechter­hal­ten, genau wie beim Rückschnitt der Hecke im Garten.
Zellen wach­sen, teilen sich, verän­dern ihre Form und bewe­gen sich. Sie drin­gen in Wun­den ein, um sie zu schließen, oder jagen Bak­te­rien in unserem Blut. Die Beweglichkeit der Zellen ist eine Voraus­set­zung für eine Vielzahl zen­traler biol­o­gis­ch­er Funk­tio­nen und wird durch das Zytoskelett gewährleis­tet. Dieses dynamisch aufge­baute Pro­tein­net­zw­erk set­zt sich an der Innen­seite der Zellmem­bran zusam­men und ver­lei­ht der Zelle ihre Form, ihre mech­a­nis­che Sta­bil­ität und ermöglicht ihre Bewegung.
Wie sich winzige Moleküle zu großen und kraftvollen Struk­turen zusammenfügen
Ein wichtiger Bestandteil des Zytoskeletts ist das Pro­tein Aktin, das sich selb­st zu lan­gen Fil­a­menten zusam­men­fü­gen kann. Aber woher nimmt das Zytoskelett eigentlich die Kraft eine ganze Zelle zu bewegen?
Der Ursprung liegt in einem Keim­bil­dung­sprozess, der direkt unter der Zellmem­bran stat­tfind­et: An die Mem­bran gebun­dene Nuk­leations­fak­toren fördern die Bil­dung eines Aktin-Keims durch den Pro­teinkom­plex Arp2/3. Der Keim, der sich an der Seite eines beste­hen­den Fil­a­ments bildet, entwick­elt sich durch die Anlagerung weit­er­er Akt­in­moleküle zu einem neuen Fil­a­ment, das wie ein Ast aus dem beste­hen­den Akt­in­fil­a­ment gegen die Zellmem­bran wächst. So entste­hen physikalis­che Kräfte, die die Mem­bran ver­schieben kön­nen. Die aus dem Keimung­sprozess resul­tierende Struk­tur des Aktin­net­zes erin­nert an einen Baum oder eine Hecke mit vie­len miteinan­der ver­bun­de­nen Ästen aus Aktinfilamenten.

Beschneiden der „Aktin-Hecke“ fördert das Wachstum neuer Filamente

Eine opti­male Kraftüber­tra­gung auf die Plas­mamem­bran wird durch eine kon­tinuier­liche Pflege des verzweigten Aktin-Net­zw­erks gewährleis­tet. Eine wichtige Schlüs­sel­rolle spielt dabei das Cap­ping-Pro­tein, das das Wach­s­tum von Fil­a­menten über eine kri­tis­che Länge hin­aus ver­hin­dert und die Ver­längerung von unpro­duk­tiv­en, weit von der Zellmem­bran ent­fer­n­ten Fil­a­menten stoppt. Das Kap­pen der Akt­in­fil­a­mente hat also eine ähn­liche Wirkung wie ein pfle­gen­der Heck­en­schnitt: Es hält die (Aktin-)Hecke ordentlich und in Form. Es stim­uliert aber auch die Akt­in­verzwei­gung (Knospen­bil­dung) in der Nähe der Mem­bran (Pflanzen­rän­der) durch den Arp2/3‑Komplex. Wie genau das Cap­ping-Pro­tein die Akt­in­verzwei­gung anregt, war bish­er nicht bekannt.

Wie ein molekularer Tentakel die Verzweigung antreibt

Dem inter­diszi­plinären Team aus Struk­tur­biolo­gen und Bio­chemik­ern vom MPI in Dort­mund, zusam­men mit Zell­bi­olo­gen der Uni­ver­sität Braun­schweig, ist es nun gelun­gen, den bish­er rät­sel­haften Mech­a­nis­mus hin­ter der gegen­läu­fi­gen Funk­tion des Cap­ping-Pro­teins aufzuk­lären. Ein von Felipe Meri­no, Erstau­tor der Studie, mit­tels Kryo-Elek­tro­nen­mikroskopie erzeugtes hochau­flösendes 3D-Bild der Struk­tur eines Akt­in­fil­a­ments gebun­den an ein Cap­ping-Pro­tein zeigte, dass dieses viel mehr kann als bish­er angenom­men: Es stoppt nicht nur das Wach­s­tum der Fil­a­mente, son­dern block­iert über einen ten­takelähn­lichen Fort­satz die Bindung von keim­bil­dungs­fördern­den Faktoren.
Johan­na Funk, eben­falls Erstau­torin der Studie, kon­nte weit­er­hin zeigen, dass das Ent­fer­nen dieses Ten­takels zwar nicht das Kap­pen der Fil­a­mente bee­in­flusste, aber im Zusam­men­spiel mit anderen Pro­teinen des Aktin­net­zw­erks, dessen Auf­bau drastisch hemmte. Dies führte auch zu ein­er Ver­ringerung der Effizienz von Lamel­lipo­di­en, die für die Zell­be­we­gung notwendi­gen armar­ti­gen Ausstülpungen.

“Die am Auf­bau des Aktin­net­zw­erks beteiligten Pro­teine wer­den häu­fig als sep­a­rat voneinan­der agierende Akteure gese­hen. Unsere aus unter­schiedlichen Blick­winkeln durchge­führte Unter­suchung zur Rolle des Cap­ping-Pro­teins, hat uns jedoch viel darüber ver­rat­en, wie diese Akteure tat­säch­lich als funk­tionelle Ein­heit zusam­me­nar­beit­en. Wir hof­fen, dass unsere Ergeb­nisse in Zukun­ft zu einem besseren Ver­ständ­nis der Zell­be­we­gung gesun­der wie auch kranker Zellen beitra­gen werden.”
—  Peter Bieling