Wie in der Zelle sortiert wird

30.06.2009: Die Versorgung unserer Zellen mit Nährstoffen ist ein lebenswichtiger Prozess. Bereits bekannt sind die biologischen Details, wie Nährstoffe ins Zellinnere aufgenommen werden. Noch weitgehend ungeklärt ist, wie die importierten Nähr- und Botenstoffe anschließend sortiert werden und welche Moleküle daran beteiligt sind. Erstmals können Wissenschaftler am European Neuroscience Institute (ENI) und im Exzellenzcluster "Mikroskopie im Nanometerbereich" am DFG Forschungszentrum Molekularphysiologie des Gehirns (CMPB) der Universitätsmedizin Göttingen diesen Sortiermechanismus beobachten. Sie nutzen dafür eine neu entwickelte Methode in Kombination mit Mikroskopie. "Mit dieser Untersuchungsmethode ist es uns zudem gelungen, wichtige Moleküle zu identifizieren, die an diesen Abläufen beteiligt sind", sagt Dr. Silvio Rizzoli, Co-Leiter der Studie. Die Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit der Forschergruppe von Prof. Dr. Reinhard Jahn vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie statt.

Wie unsere Zellen Nährstoffe aufnehmen und diese sortieren

Durch den Prozess der Endozytose nehmen Zellen Nähr- und Botenstoffe in ihr Inneres auf. Für diesen Import schnüren sich Fracht-enthaltende "Bläschen", so genannte Vesikel, von der zellbegrenzenden Membran ab. Anschließend verbinden sich die Vesikel im Zellinneren mit der ersten Sortierstation, (dem "frühen Endosom") innerhalb der Zelle. Dort wird der Vesikelinhalt getrennt und für seinen Zielort vorbereitet. So werden bestimmte "Frachtgüter", z.B. Transporter für Nährstoffe, wieder aus der Zelle geschleust und recycelt. Andere Bestandteile hingegen werden zu so genannten Lysosomen transportiert, wo sie durch deren Enzyme abgebaut werden (Degradation). So können ihre Einzelbestandteile von der Zelle verwertet werden. Proteine werden dadurch z.B. in ihre entsprechenden Aminosäuren zerlegt. Biologische Details zum Andocken der von der Zelle importierten Vesikel an das frühe Endosom sowie zum folgenden Fusionsprozess sind bereits bekannt. Wie die eingehende Fracht allerdings im frühen Endosom sortiert wird und sich in neuen Vesikeln wieder ablöst, das gab den Forschern noch Rätsel auf. Erschwerend kam hinzu, dass es bislang keine geeignete Methode gab, um diese Abläufe zu beobachten.

Die neue Methode macht Einzelschritte in der Zelle erstmals sichtbar

Um die Einzelschritte der biologischen Abläufe bei der Nährstoff-Sortierung innerhalb der Zelle zu verfolgen, hat die Göttinger Forschergruppe um Dr. Rizzoli die beiden Proteine Transferrin und LDL (Low Density Lipoprotein) mit fluoreszenten Farbstoffen markiert und mit hochauflösender Lichtmikroskopie beobachtet. "Wir wissen, dass Transferrin vom frühen Endosom ausgehend wieder recycelt wird. Dagegen schlägt LDL den Abbauweg zum Lysosom ein. So können wir beide Routen genau beobachten", sagt Sina Barysch, Nachwuchswissenschaftlerin in dem Forschungsprojekt.

Auf der Suche nach Molekülen, die diesen Sortiermechanismus sowie das anschließende Ablösen der Vesikel vom frühen Endosom steuern, haben die Wissenschaftler zunächst bekannte Faktoren der initialen Andock- und Fusionsprozesse blockiert und deren Auswirkungen untersucht. Sie waren überrascht: Die Blockade von EEA1 (Early Endosome Autoantigen 1) sowie NSF (N-ethylmaleimide sensitive factor) - beide gelten als wichtige Faktoren im Andocken und der Fusion eingehender Vesikel mit dem frühen Endosom - hat auch das anschließende Sortieren und Ablösen neuer Vesikel unterbunden. "Diese Faktoren scheinen also Multitasking-Fähigkeiten zu besitzen. Sie stellen eine unerwartete Verbindung zwischen den Prozessen Andocken und Fusion sowie Sortieren und Vesikelablösung her", sagt Prof. Dr, Reinhard Jahn vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Originalveröffentlichung: Barysch SV, Aggarwal S, Jahn R, Rizzoli SO; "Sorting in early endosomes reveals connections to docking- and fusion-associated factors"; PNAS 2009, Volume 106, Issue 24, 9697-702