Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Intelligenter Paketdienst in der Zelle

06.04.2004


Tübinger Max-Planck-Wissenschaftler haben bisher unbekannten Mechanismus entdeckt, wie Zellen ihren internen Transport optimieren


Ausschnitt aus einer elektronenmikroskopischen Aufnahme einer Hefezelle. Das endoplasmatische Retikulum ist blau, Transportvesikel sind grün und Golgi-Zisternen rot angefärbt.
Bild: Friedrich-Miescher-Laboratorium/Schwarz



Die Zelle ist die einfachste lebensfähige Ansammlung von Materie. Die meisten ihrer Stoffwechselreaktionen spielen sich im Zytoplasma ab, das zahlreiche Organellen (Reaktionsräume) enthält, so dass viele chemische Vorgänge gleichzeitig ablaufen können. Doch die für Lebensprozesse essentiellen Proteine werden nur im Zytoplasma hergestellt. Deshalb herrscht zwischen den Organellen ein intensiver "Pakettransport": Winzige Membranbläschen (Vesikel) transportieren Proteine und andere Substanzen gezielt von einem Ort zum anderen. Doch wie bewältigt es die Zelle, dass diese Pakete zur rechten Zeit am richtigen Ort ankommen? Wissenschaftler des Friedrich-Miescher-Laboratoriums der Max-Planck-Gesellschaft haben jetzt einen bisher nicht bekannten "Etikettierungsmechanismus" entdeckt, der verhindert, das einmal abgeschickte Pakete mit sekretorischen Proteinen wieder zu ihrem Absender zurückkommen können (Science, 9. April 2004). Diese Erkenntnis ist von grundsätzlicher Bedeutung und praktischer Relevanz, bedeutet doch eine Störung des sekretorischen Transports den Tod der Zelle.



Zellen enthalten verschiedene Organellen, also Membran-umschlossene Kompartimente, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Dazu enthält jedes Kompartiment ein ganz bestimmtes Repertoire an Proteinen. Doch die Proteine werden nur in einem Kompartiment, nämlich dem Zytoplasma hergestellt. Von dort müssen sie zu ihrer jeweiligen Wirkungsstätte transportiert werden. Welche die Wirkungsstätte sein soll, ist schon in der Erbinformation des Proteins gespeichert. Der Eintritt ins Transportsystem der Zelle erfolgt durch das endoplasmatische Retikulum. Dort wird die Funktionalität der Eiweissstoffe überprüft, bevor sie in Membranhohlkugeln (Vesikel) verpackt werden. Die Größe der Vesikel und die Aufnahme der Proteinfracht (Cargo) kontrollieren spezifische zytoplasmatische Hüllenproteine. Jedes Kompartiment hat seine eigenen Hüllenproteine als "Verpackung", um Vesikel herzustellen. Zudem enthält jedes Vesikel ein Set an Signal-Proteinen, das sicherstellt, dass das Vesikel von der richtigen Zielmembran erkannt wird und schließlich damit verschmilzt.

Im Prinzip kann man sich den zellulären Transport von Vesikeln wie einen Paketversand per Post vorstellen: Das Zytoplasma stellt ein Produkt (Protein) her, das als Paket verschickt werden muss. Also bringt man es zum Postamt (endoplasmatische Retikulum ER). Vom Postamt kommt das Paket mit dem Lastwagen (mit COPII-Proteinen umhüllte Vesikel) zur Verteilerstelle (Golgi-Apparat). Von dort aus transportieren es dann die Postboten (mit Clathrin umhüllte Vesikel) zu den einzelnen Haushalten (verschiedene membranumhüllte Kompartimente der Zelle, wie Lysosom, Endosom etc.) oder es wird ins Ausland weitergeleitet (also aus der Zelle hinaus transportiert). Auf dem Rückwege nimmt der Lastwagen vom Verteileramt wieder Pakete mit, die für sein Postamt bestimmt sind oder die beschädigt wurden.

Proteine, die vom endoplasmatische Retikulum zum Golgi-Apparat gebracht werden müssen, benutzen COPII als Verpackung der Vesikel, während der Rücktransport vom Golgi zum ER durch COPI-umhüllte Vesikel erfolgt. Die Membran-gebundenen Transportfaktoren (v-SNAREs), die - wie ein "Adressaufkleber" - die Erkennung der Vesikel am Golgi-Apparat erlauben, werden in COPI-Vesikel wieder zum ER zurückgebracht, und können dann an einen neuen Transportzyklus teilnehmen. Doch die v-SNAREs, die für die Erkennung der COPI-Vesikel mit dem ER gebraucht werden, müssen erst über COPII-Vesikel zum Golgi gebracht werden. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass die unterschiedlich verpackten (COPI- und COPII-)Vesikel das gleiche Set an "Aufklebern" (SNARE-Proteinen) beinhalten. Die Hüllenproteine müssen die Vesikel verlassen, um die SNAREs zu exponieren und die Interaktion mit ähnlichen, spezifischen Proteinen (t-SNAREs) am Zielkompartiment zu erlauben.

Von daher ergibt sich die Frage, wie die vom ER kommenden, hüllenlosen Vesikel erkennen können, dass sie nun mit dem Golgi-Apparat fusionieren sollen und nicht wieder mit dem ER, da sowohl die vom Golgi als auch die vom ER kommenden Vesikel die gleichen v-SNAREs beinhalten? Oder anders ausgedrückt: Wodurch wird sichergestellt, dass der Transport im ER und Golgi in eine ganz bestimmte Richtung erfolgt? Dieser Frage sind die Wissenschaftler am Friedrich-Miescher Laboratorium der Max Planck Gesellschaft am Modellorganismus der Hefe Saccharomyces cerevisiae nachgegangen. Dabei haben sie eine Mutante identifiziert, bei der vom ER kommenden COPII-Vesikel tatsächlich mit dem ER verschmelzen können. Die Mutante Tip20-8 kann also die Rückfusion von COPII-Vesikeln mit dem ER nicht verhindern. Da Tip20 am ER lokalisiert ist und normalerweise zur Fusion von COPI-Vesikeln mit dem ER benötigt wird, kann man sich folgendes Wirkungsprinzip für dieses Protein vorstellen: Das nicht mutierte Protein Tip20 arbeitet wie der Chip-Leser am Eingang zu einem Geldautomaten: Entspricht der Chip den Vorgaben (ein vom Golgi kommender COPI-Vesikel), kann man zum Geldautomaten (der Vesikel fusioniert mit dem ER). Entspricht der Chip nicht der Definition (ein vom ER kommender COPII-Vesikel), öffnet sich die Tür nicht. Ist der Chipleser allerdings defekt (ein mutiertes Tip20-Protein: Tip20-8), kann natürlich jeder an den Geldautomaten heran (COPI- und COPII-Vesikel können mit dem ER fusionieren).

Diese Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass zusätzlich zu den bereits bekannten, spezifischen Transportfaktoren, die wie ein Adressaufkleber signalisieren, wohin das Vesikel soll, es noch ein weiteres System in der Zelle gibt, dass den Transport von Vesikeln und die Kommunikation in der Zelle steuert. Wie ein Beipack-Zettel enthält er die Botschaft "Nicht zurück zum Absender!". Mit diesem einfachen Trick stellt die Zelle sicher, das der Transport zwischen den nah beieinander liegenden Organellen nur unidirektional erfolgen kann, Vesikel nur mit der Ziel- und nicht mit der Absendermembran verschmelzen.

Der gerichtete Transport und die Kommunikation zwischen den verschiedenen Zellorganellen ist essentiell für das Überleben der Zelle. Die Kenntnis des jetzt entdeckten Mechanismus könnte deshalb einerseits neue Möglichkeiten eröffnen, den vesikulären Transport gezielt zu unterbrechen, zum Beispiel, um das Wachstum von Tumoren zu stoppen. Andererseits spielen Störungen des zellulären Transports bei bestimmten Krankheiten wie Diabetes oder Mukoviszidose eine wichtige Rolle. Inwieweit das am Beispiel der Hefe gewonnene Wissen auch dafür von Bedeutung ist, bleibt weiteren Untersuchungen überlassen.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Anne Spang
Friedrich-Miescher-Laboratorium
für biologische Arbeitsgruppen
in der Max-Planck-Gesellschaft, Tübingen
Tel.: 07071 601-840, Fax: -455
E-Mail: anne.spang@tuebingen.mpg.de

Dr. Anne Spang | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.tuebingen.mpg.de

Weitere Berichte zu: COPII-Vesikel Golgi Golgi-Apparat Organellen Protein Vesikel Zelle Zytoplasma

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Eine Karte der Zellkraftwerke
18.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung
18.08.2017 | Deutsches Zentrum für Infektionsforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie