Verklumpte Proteinansammlungen in Zellen werden mit der Entstehung von Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson in Verbindung gebracht. In bestimmten Bereichen von Zellen, den sogenannten membranlosen Organellen, findet man sie häufiger als an anderen Orten. Begünstigen diese Organellen die Verklumpung? Oder schützen sie die Zelle, indem sie solche Aggregate vorübergehend aufnehmen? Dieser Frage gingen Prof. Dr. Simon Ebbinghaus und Mailin Becker von der Ruhr-Universität Bochum mit der neuen Methode „confocal Fast Relaxation Imaging“ (cFReI) nach, die sie eigens entwickelt haben.
Proteine sind an zahlreichen Prozessen innerhalb der Zelle beteiligt. Damit diese alle reibungslos ablaufen können, ist die Zelle in verschiedene Kompartimente unterteilt, sogenannte Organellen. Einige davon sind von einer Membran umgeben, wie zum Beispiel der Zellkern oder die Mitochondrien. „Es gibt jedoch auch Organellen, die nicht von einer Membran umgeben sind“, erklärt Mailin Becker. In diesen sogenannten membranlosen Organellen (MLOs) sammeln sich Proteine und RNA an. „Sie entstehen durch Flüssig-Flüssig-Phasenseparation“, so Becker. „Dieser Prozess ähnelt der Bildung von Öltröpfchen in Wasser.“
Untersuchung der Entfaltung von Proteinen direkt in der komplexen Umgebung lebender Zellen
Viele dieser MLOs enthalten Proteine, die fehlfalten oder sich entfalten und anschließend verklumpen. Die resultierenden Proteinaggregate werden mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Amyotropher Lateralsklerose, Alzheimer oder Parkinson in Verbindung gebracht. Bisher ist jedoch unklar, welche Rolle die MLOs bei der Entstehung dieser Erkrankungen spielen.
Einerseits könnten MLOs die Zelle schützen, indem sie fehlgefaltete Proteine vorübergehend aufnehmen. Andererseits könnten MLOs auch Orte sein, an denen die Fehlfaltung von Proteinen begünstigt und dadurch die Zelle geschädigt wird. „Um die Entstehung dieser Erkrankungen zu verstehen, ist es daher wichtig, die Entfaltung von Proteinen direkt in der komplexen Umgebung lebender Zellen zu untersuchen“, betont Simon Ebbinghaus.
Direkter Vergleich der Stabilität von Proteinen in einer Zelle
Die Forschenden an der Ruhr-Universität Bochum haben dafür eine neuartige experimentelle Methode entwickelt, das „confocal Fast Relaxation Imaging“ (cFReI). Es ermöglicht, die Stabilität und damit die Entfaltung von Proteinen innerhalb von MLOs und im umgebenden Zytoplasma derselben Zelle direkt miteinander zu vergleichen.
Mit dieser Methode untersuchten sie eine Variante des Proteins Superoxid-Dismutase 1 (SOD1) das sich in Stressgranula anreichert. Stressgranula sind MLOs, die sich als Reaktion auf zellulären Stress im Zytoplasma bilden und der Zelle bei der Bewältigung von Stress helfen.
Wichtige Erkenntnisse über die Entstehung neurodegenerativer Krankheiten
„Entgegen unseren Erwartungen aus in-vitro-Experimenten konnten wir beobachten, dass SOD1 innerhalb der Stressgranula nicht destabilisiert wird“, berichtet Mailin Becker. „In den meisten Zellen zeigte sich sogar eine Stabilisierung des Proteins innerhalb der Stressgranula.“ Dies deute darauf hin, dass MLOs die Zelle vor fehlgefalteten Proteinen schützen könnten, indem sie diese vorübergehend aufnehmen, anstatt ihre Fehlfaltung zu fördern.
Die neue Methode ist nicht auf SOD1 oder Stressgranula beschränkt. Sie kann auch auf andere Biomoleküle in verschiedenen Organellen angewendet werden und so wichtige Erkenntnisse über die Entstehung neurodegenerativer Krankheiten liefern. Langfristig könnte sie damit auch neue Ansatzpunkte für therapeutische Strategien aufzeigen.
Quelle: idw
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