Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Transport nach einfachen Regeln

30.04.2010
Max-Planck-Forscher entschlüsseln, wie Zellen die räumliche Verteilung von Proteinen aufrecht erhalten

Alles Leben auf der Erde ist von Unordnung bedroht. In dieser Hinsicht gleicht eine Zelle einem Schiff, das in einem Meer von Unordnung zu sinken droht: Deshalb muss sie ständig unter Energieaufwand ihren Ordnungsgrad bewahren, um nicht unterzugehen - bildlich gesprochen muss das eindringende Wasser der Unordnung also permanent ausgepumpt werden.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Physiologie in Dortmund haben nun herausgefunden, wie Zellen die korrekte Verteilung von Proteinen in ihrem Innern sicherstellen. Demnach werden viele Proteine, die zur Zellmembran transportiert werden sollen, mit einem Fettsäureanker versehen, der sie in der Zellmembran verankert. Da sie von dort jedoch auch in die Membranen von Zellorganellen gelangen, wird der Anker von diesen Proteinen nach kurzer Zeit wieder entfernt. Dieses Leck stopft die Zelle im Gegensatz zum Transport zur Membran also unspezifisch. Die Forscher haben damit ein einfaches Prinzip offengelegt, nach dem Zellen die komplexe räumliche Verteilung von Proteinen steuern und damit einen hohen Ordnungszustand beibehalten. Die Ergebnisse eröffnen zudem möglicherweise neue Wege in der Krebstherapie. Denn in einer weiteren Studie konnten die Wissenschaftler die räumliche Verteilung des Krebsproteins Ras mit einem neuen Hemmstoff erfolgreich durcheinander bringen und so dessen Funktion stören. (Cell, 22. April 2010; Nature Chemical Biology, 25. April 2010)

Innerhalb einer Zelle müssen eine Vielzahl von Stoffen transportiert werden. Als Rangierbahnhof dient dabei der so genannte Golgi-Apparat. Im Inneren dieses von einer eigenen Membran umgebenen Organells werden Proteine und andere Substanzen funktions- und transportklar gemacht. Aus seiner Membran werden kleine Bläschen (Vesikel) abgeschnürt und zu ihren jeweiligen Zielorten dirigiert. Viele Proteine, die zur Zellmembran transportiert werden sollen, werden dazu mit einem Fettsäure-Molekül versehen. Durch diese so genannte Palmitoylierung erhalten die Membranproteine eine Art Adressaufkleber und werden zur Zellmembran befördert. Die Zelle stemmt sich mit diesem gerichteten Transport vom Golgi-Apparat zur Zellmembran gegen die andauernde "Leckage" in andere Membranen. Denn zusätzlich zur Zellmembran ist die Zelle angefüllt mit Membranen von Organellen, die jeweils über Vesikel miteinander in Verbindung stehen. Dadurch gelangen palmitoylierte Membranproteine, die ursprünglich nur für die Zellmembran vorgesehen waren, auch an andere Orte. Mit der Zeit wären diese Proteine also wahllos innerhalb der Zelle verteilt.

Die Dortmunder Forscher konnten mittels modernster Mikroskopieverfahren maßgeschneiderte molekulare Sonden in lebenden Zellen verfolgen und so den Aufenthaltsort und Transport palmitoylierter Proteine in Echtzeit analysieren. Dabei haben sie herausgefunden, dass die Palmitoylierung vor allem am Golgi-Apparat stattfindet. Von dort erreichen palmitoylierte Proteine an der Oberfläche der abgeschnürten Bläschen die Zellmembran. Damit sich die Proteine nicht in anderen Membranen anreichern, entfernen spezielle Enzyme den Fettsäureanker wahllos von allen palmitoylierten Proteinen. Die Proteine schwimmen dann so lange frei durch die Zelle, bis sie wieder in den Transportmechanismus des Golgi-Apparats eingeschleust werden. So stellt die Zelle sicher, dass fehlgeleitete Proteine kontinuierlich und schnell wieder ins Transportnetz eingespeist und an ihren korrekten Bestimmungsort transportiert werden. "Ein solcher Zustand, der sich nicht im Gleichgewicht befindet und nur unter ständigem Energieaufwand aufrecht erhalten werden kann, zeichnet alles Leben aus - im Gegensatz zu nichtlebenden komplexen Systemen wie Kristallen, die einen Gleichgewichtszustand bei minimaler Energie einnehmen", erklärt Philippe Bastiaens, Leiter der Abteilung Systemische Zellbiologie am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie. Die Forscher haben damit ein grundlegendes Prinzip des Lebens entdeckt.

Einfache Lösung für komplexe Aufgabe

Aber woher weiß die Zelle, welche Proteine im Golgi-Apparat einen Adressaufkleber für die Zellmembran erhalten sollen? Den Wissenschaftlern zufolge kann jedes Protein einen Fettsäureanker bekommen, wenn die Aminosäure Cystein leicht zugänglich an der Oberfläche des Proteins liegt. Es wird dann automatisch zur Zellmembran befördert. Für diese Transportvorgänge sind also keine Rezeptoren nötig, die spezifisch das zu transportierende Protein binden.

Dies ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie komplizierte Vorgänge durch ganz einfache physikalische und chemische Regeln gesteuert werden können. Auf den ersten Blick erscheint es enorm anspruchsvoll, diejenigen Proteine zu identifizieren, die an einen bestimmten Ort transportiert werden müssen sowie Falschtransporte zu erkennen und zu verhindern, dass sie sich vom Zielort weiter verbreiten. Die Zelle schafft dies aber auf ganz einfachem Wege ohne zusätzliche Rezeptoren oder Regulationsmechanismen. Auch andere selbstorganisierende Systeme wie beispielsweise Insektenstaaten funktionieren häufig nach relativ einfachen Prinzipien. Anders könnten sie ihre vielfältigen Aufgaben auch gar nicht bewältigen. "Diese Ergebnisse sind ein Meilenstein. Sie werden die Art verändern, wie künftig in der Zellbiologie geforscht wird. Denn nur wenn wir die Prinzipien kennen, nach denen das Leben funktioniert, werden wir es wirklich verstehen können. Die Fokussierung auf die vielen verschiedenen Signalwege innerhalb der Zelle helfen uns da nicht viel weiter", so Philippe Bastiaens.

Neuer Wirkstoff hemmt Krebs-Protein

Die Forschergruppe ging aber noch einen Schritt weiter und schuf die Grundlage für eine mögliche Anwendung der Erkenntnisse in der Krebstherapie. Ein prominenter Vertreter palmitoylierter Proteine ist das Ras-Protein. Mutationen im ras-Gen finden sich in vielen Tumoren. Es ist allerdings nur dann voll funktionstüchtig, wenn es in der Zellmembran verankert ist und nicht in andere Membranen gelangt. Die Forscher entwickelten daher den Hemmstoff Palmostatin B gegen das Enzym, das für die Abspaltung der Fettsäureanker verantwortlich ist. Wird dieses Enzym ausgeschaltet, bleibt das palmitoylierte Ras in der Zellmembran verankert und gelangt von dort in die Membran anderer Zellorganellen. "Dies war ein völlig neuer Ansatz, der eigentlich dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Deswegen hat ihn auch die Pharmaforschung nie weiter verfolgt. Denn wir haben nicht den gerichteten Transport aus dem Golgi-Apparat gehemmt, sondern die wahllose Verteilung in der Zelle gefördert", erklärt Herbert Waldmann, der die Abteilung Chemische Biologie am Dortmunder Max-Planck-Institut leitet.

Mit Palmostatin B konnten die Wissenschaftler das Ras-Protein erstmals hemmen, ohne es gleich vollständig auszuschalten. Ist Ras nämlich völlig inaktiv, sterben auch gesunde Zellen. Die wahllose Verteilung innerhalb der Zelle unterdrückt dagegen nur die unheilvolle Wirkung des mutierten Ras-Proteins. Aus Krebszellen werden so wieder normale Zellen. Dank dieser Entdeckung könnten Ras-abhängige Tumore eines Tages schonend behandelt werden, ohne gesunde Zellen zu schädigen.

Originalveröffentlichung:

Oliver Rocks, Marc Gerauer, Nachiket Vartak, Sebastian Koch, Zhi-Ping Huang, Markos Pechlivanis, Jürgen Kuhlmann, Lucas Brunsveld, Anchal Chandra, Bernhard Ellinger, Herbert Waldmann, and Philippe I.H. Bastiaens
The Palmitoylation Machinery Is a Spatially Organizing System for Peripheral Membrane Proteins

Cell, 22. April 2010

Frank J. Dekker, Oliver Rocks, Nachiket Vartak, Sascha Menninger, Christian Hedberg, Rengarajan Balamurugan, Stefan Wetzel, Steffen Renner, Marc Gerauer, Beate Schölermann, Marion Rusch, John W. Kramer, Daniel Rauh, Geoffrey J. Coates, Luc Brunsveld, Philippe Bastiaens, Herbert Waldmann
Small molecule inhibition of acyl protein thioesterase 1 (APT1) affects Ras localization and signaling

Nature Chemical Biology, 25. April 2010

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Philippe Bastiaens
Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund
Tel.: +49 (0)231 / 133 - 2200
E-Mail: philippe.bastiaens@mpi-dortmund.mpg.de
Prof. Dr. Herbert Waldmann
Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund
Tel.: +49 (0)231 / 133 - 2400
E-Mail: herbert.waldmann@mpi-dortmund.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Sollbruchstellen im Rückgrat - Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung
02.12.2016 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht "Fingerabdruck" diffuser Protonen entschlüsselt
02.12.2016 | Universität Leipzig

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie