Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulare Schere stabilisiert das Zell-Zytoskelett

24.06.2019

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen haben erstmals die Struktur wichtiger Enzyme in menschlichen Zellen aufgeklärt, die wesentliche Bausteine des Zell-Zytoskeletts verändern. Damit ist der noch fehlende Teil des Kreislaufs aufgedeckt, der den Auf- oder Abbau von Stützelementen der Zelle regelt. Die untersuchten Enzyme wirken als molekulare Schere und können an der Entstehung verschiedener Krankheiten des Nervensystems oder Krebs beteiligt sein. Mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS erhielten die Forschenden detaillierte Einblicke in die Struktur der Enzyme. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie nun in der Zeitschrift Nature Structural & Molecular Biology.

Sie geben menschlichen Zellen ihre Form, spielen eine entscheidende Rolle bei der Zellteilung oder helfen, Stoffe durch die Zelle zu transportieren: die sogenannten Mikrotubuli-Filamente.


Sung Ryul Choi (links), Biochemiker am PSI und einer der Erstautoren der Studie, und Michel Steinmetz, Leiter des Labors für Biomolekulare Forschung am PSI, begutachten eine Proteinprobe.

Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Ihre Aufgaben sind von zentraler Bedeutung für das Leben, sodass sie sich in allen Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen finden. Mikrotubuli können mehrere Mikrometer lang werden, was ungefähr der Dicke eines durchschnittlichen menschlichen Haares entspricht.

Die röhrenförmige Struktur der Mikrotubuli besteht aus einer regelmässigen Anordnung zweier Bausteine, den sogenannten Tubulinen (α-Tubulin und β-Tubulin). In einer gesunden Zelle werden aus diesen Bausteinen ständig neue Mikrotubuli gebildet und wieder zerstört.

Dieser Prozess wird durch zahlreiche Mechanismen gesteuert, unter anderem durch den sogenannte Tubulin-Tyrosin-Zyklus. Die Aminosäure Tyrosin wird dabei entweder an das α-Tubulin angeheftet oder von diesem abgeschnitten.

Die Enzyme, die Tyrosin an α-Tubulin binden, sind seit Langem bekannt. Ohne diese Enzyme können sich die Nervenzellen im Gehirn nicht richtig vernetzen. Die Enzyme, die Tyrosin aus α-Tubulin entfernen, die sogenannten Vasohibine, wurden dagegen erst 2017 identifiziert.

Molekül-Scheren bei der Arbeit studieren

Das Abschneiden der Aminosäure Tyrosin vom α-Tubulin stabilisiert in der Regel die Mikrotubuli. Ohne Tyrosin können sie mehrere Stunden erhalten bleiben, wogegen Mikrotubuli mit Tyrosin meist nach wenigen Minuten wieder abgebaut werden.

Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen ist es nun erstmals gelungen, die genaue Struktur zweier Vasohibine aufzudecken und zu studieren, wie diese Enzyme die Aminosäure Tyrosin von α-Tubulin entfernen.

Zu diesem Zweck bilden die Vasohibine in ihrer Molekularstruktur eine Furche, die sich perfekt an das tyrosinhaltige Ende des α-Tubulins anschmiegt. Damit sich dieses aktive Zentrum exakt auf seine Zielstruktur passt, benötigt das Enzym noch einen Aktivator, das sogenannte "small vasohibine binding protein".

Dieses Protein war bisher nur als Stabilisator von Vasohibinen bekannt, nicht aber als Stimulator einer enzymatischen Reaktion. Die genauen Strukturanalysen des enzymatisch aktiven Zentrums zeigen darüber hinaus, wie Hemmstoffe aussehen sollten, um Vasohibine zu hemmen.

Ein weiteres überraschendes Ergebnis, das die Forschenden mit ihrer Arbeit erzielt haben: Bei Unterdrückung der Aktivität der Vasohibine treten in der Entwicklung von Nervenzellen und deren Verbindungen ähnliche Störungen auf wie bei Abwesenheit ihres Gegenstücks, dem Enzym, das die Aminosäure Tyrosin an α-Tubulin anheftet.

«Ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Mikrotubuli mit und ohne Tyrosin ist der Schlüssel für die normale Bildung von Neuronen», sagt Michel Steinmetz, Leiter des Labors für Biomolekulare Forschung am PSI. «Unsere Ergebnisse verdeutlichen die strukturellen Grundlagen der Tubulin-Detyrosination und die Relevanz dieses Prozesses für die Neuronen-Entwicklung.»

Ein möglicher Weg zu neuen Therapien

Da Mikrotubuli neben der korrekten Entwicklung des Nervengewebes an zahlreichen anderen lebenswichtigen Prozessen im Körper beteiligt sind, eröffnet die Erforschung ihrer Entstehung und Struktur neue Möglichkeiten für die Medizin. So spielen beispielsweise Mikrotubuli eine wichtige Rolle beim Wachstum von Tumoren und bei der Erhaltung gesunder Neuronen.

«Mit unserer strukturellen Aufklärung von Vasohibinen im Komplex mit Inhibitoren könnten wir nun neuartige Medikamente gegen Krankheiten entwickeln, die mit ungewöhnlicher Tubulintyrosinierung verbunden sind, wie zum Beispiel einige Krebsarten oder möglicherweise Hirnerkrankungen», sagt Steinmetz.

Mit der strukturellen Aufklärung der Vasohibine war es erstmals möglich, den kompletten Tubulin-Tyrosin-Zyklus detailliert zu beschreiben. «Das gibt uns ganz neue Möglichkeiten, mit Therapeutika in diesen Zyklus einzugreifen und neue Wirkstoffe dafür zu entwickeln», sagt Sung Ryul Choi, Biochemiker am PSI und einer der Erstautoren der Studie.

Um die Struktur der Vasohibine zu verdeutlichen, verwendeten die Forscher die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. «Wir konnten unsere Arbeiten zur Struktur in etwa fünf Monaten abschliessen», sagt Choi. «Dies war nur möglich, weil wir hier am PSI alle notwendigen Expertisen und Infrastrukturen an einem Ort haben.»

Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher nun in der Zeitschrift Nature Structural & Molecular Biology.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi


Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Michel Steinmetz
Labor für Biomolekulare Forschung
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 47 54 , E-Mail: michel.steinmetz@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Originalpublikation:

Structural basis of tubulin detyrosination by the vasohibin-SVBP enzyme complex
Na Wang, Christophe Bosc, Sung Ryul Choi, Benoit Boulan, Leticia Peris, Natacha Olieric, Hongyu Bao, Fatma Krichen, Liu Chen, Annie Andrieux, Vincent Olieric, Marie-Jo Moutin, Michel O. Steinmetz, Hongda Huang
Nature Structural & Molecular Biology, 24. Juni 2019
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41594-019-0241-y

Weitere Informationen:

http://psi.ch/node/289057 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial

Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Aminosäure Biology ETH Enzym Mikrotubuli Molecular Biology Molekulare Schere Neuronen PSI Tyrosin Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bayerisch-tschechisches Forschungsprojekt trägt zum Schutz der Bienen bei
15.07.2019 | Universität Regensburg

nachricht Biobasierte Dünger sollen künftig Mineraldünger ersetzen
12.07.2019 | Julius Kühn-Institut, Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

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: Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet

Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet.

Zurzeit ist Niob das Material der Wahl, um supraleitende Hochfrequenzkavitäten zu bauen. So werden sie für Projekte wie bERLinPro und BESSY-VSR eingesetzt,...

Im Focus: Künstliche Intelligenz löst Rätsel der Physik der Kondensierten Materie: Was ist die perfekte Quantentheorie?

Für einige Phänomene der Quanten-Vielteilchenphysik gibt es mehrere Theorien. Doch welche Theorie beschreibt ein quantenphysikalisches Phänomen am besten? Ein Team von Forschern der Technischen Universität München (TUM) und der amerikanischen Harvard University nutzt nun erfolgreich künstliche neuronale Netzwerke für die Bildanalyse von Quantensystemen.

Hund oder Katze? Die Unterscheidung ist ein Paradebeispiel für maschinelles Lernen: Künstliche neuronale Netzwerke können darauf trainiert werden Bilder zu...

Im Focus: Artificial neural network resolves puzzles from condensed matter physics: Which is the perfect quantum theory?

For some phenomena in quantum many-body physics several competing theories exist. But which of them describes a quantum phenomenon best? A team of researchers from the Technical University of Munich (TUM) and Harvard University in the United States has now successfully deployed artificial neural networks for image analysis of quantum systems.

Is that a dog or a cat? Such a classification is a prime example of machine learning: artificial neural networks can be trained to analyze images by looking...

Im Focus: Was die Kraftwerke der Zelle in Form hält

Ein Team aus Deutschland und der Schweiz um Professor Oliver Daumke vom MDC hat untersucht, wie ein Protein der Dynamin-Familie die innere Membran der Mitochondrien verformt. Die Ergebnisse, die auch Einblicke in erbliche Erkrankungen des Sehnervs liefern, sind im Journal „Nature“ veröffentlicht.

Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen. Hier wird Energie in Form chemischer Verbindungen wie ATP gewonnen. Um dieser Aufgabe optimal nachgehen zu...

Im Focus: Knobeln auf dem Quanten-Schachbrett

Physiker der Universität Innsbruck schlagen ein neues Modell vor, mit dem die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Supercomputern bei der Lösung von Optimierungsaufgaben gezeigt werden könnte. Sie demonstrieren in einer aktuellen Arbeit, dass schon wenige Quantenteilchen genügen würden, um das mathematisch schwierige Damenproblem im Schach auch für größere Schachbretter zu lösen.

Das Damenproblem ist eine schachmathematische Aufgabe, die schon den großen Mathematiker Carl Friedrich Gauß beschäftigt hat, für die er aber erstaunlicher...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Auswandern auf Terra-2?

15.07.2019 | Veranstaltungen

Hallo Herz! Wie kommuniziert welches Organ mit dem Herzen?

12.07.2019 | Veranstaltungen

Schwarze Löcher und unser Navi im Kopf: Wissenschaftsshow im Telekom Dome in Bonn

11.07.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Auswandern auf Terra-2?

15.07.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet

15.07.2019 | Physik Astronomie

Verfahren zum Patent angemeldet: Katalysator-Herstellung in einem Schritt

15.07.2019 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics