Ribosomenzusammenstellung: Der Schlüssel zu Wachstum und Gesundheit

Ribosomen sind wichtige Maschinen, die in allen lebenden Organismen vorkommen. Sie spielen eine zentrale Rolle beim Lesen der genetischen Anweisungen in der DNA, die letztendlich hilft, Zellen mit einzigartigen Identitäten und Funktionen zu bauen. Deshalb müssen Ribosomen korrekt zusammengesetzt werden. Wenn dabei Fehler passieren, kann das zu Problemen in den Zellen führen und letztendlich Krankheiten im Organismus verursachen. Bei Menschen können Probleme mit dem Ribosomenaufbau zu einer Gruppe von Krankheiten führen, die als Ribosomopathien bekannt sind. Diese können verschiedene Gesundheitsprobleme verursachen, wie z.B. eine verringerte Hirngrösse, Lernbehinderungen, neurodegenerative Erkrankungen, Krampfanfälle, verschiedene Krebsarten und mehrere andere Syndrome.

#Frühe Entdeckungen bei Drosophila

Vor über hundert Jahren entdeckten Wissenschaftler, die die Fruchtfliege Drosophila studierten, wie wichtig ein ordnungsgemässer Ribosomenaufbau ist. Sie identifizierten Mutanten namens „Minute“-Mutanten, die mit dünnen und kleinen Borsten entwickelt werden. Diese Mutanten verzögern ihre Entwicklung, haben unregelmässig geformte Augen und haben oft Schwierigkeiten zu überleben und sich fortzupflanzen. Mutationen in diesen Mutanten betreffen hauptsächlich ribosomale Proteine.

Weitere Studien zeigten ein faszinierendes Phänomen namens Zellwettbewerb. Das passiert, wenn langsam wachsende Zellen, die als „Verlierer“-Zellen bekannt sind, von gesunden, schnell wachsenden Zellen, den „Gewinner“-Zellen, umgeben sind. Die Verlierer-Zellen unterliegen dem programmierten Zelltod (Apoptose) und werden eliminiert. Dieser Prozess wird nicht nur bei Minute-Mutanten beobachtet, sondern auch in anderen Fällen, in denen benachbarte Zellen genetisch unterschiedlich sind.

Zellwettbewerb wurde auch bei Mäusen, Zebrafischen und Zellen in Kultur entdeckt, was darauf hindeutet, dass es eine gängige Methode für Gewebe sein könnte, um Zellen zu erkennen und zu entfernen, die nicht richtig wachsen.

#Mechanismen hinter dem Zellwettbewerb

Wissenschaftler sind noch dabei, die genauen Mechanismen hinter dem Zellwettbewerb herauszufinden. Bei Minute-Mutanten wurde entdeckt, dass ein neuer Stressantwortweg aktiviert wird, der ein Protein namens RpS12 umfasst. Dieses Protein hilft, einen Transkriptionsfaktor namens Xrp1 zu aktivieren. Xrp1 kann mit einem anderen Protein, Irbp18, zusammenarbeiten, um Gene zu aktivieren, die mit Zelltod, DNA-Reparatur und Schutz vor Schäden in Zusammenhang stehen.

Xrp1 fördert auch die Produktion eines Proteins namens PKR-ähnliche endoplasmatisches Retikulum-Kinase (PERK), was zu einer verringerten Proteinübersetzung in den Verliererzellen führt, was letztendlich zu ihrem Tod führt.

#Die Rolle von Dilp8

Ein Gen, das stark von Xrp1 in Minute-Zellen beeinflusst wird, heisst dilp8. Dieses Gen produziert einen Faktor, der mit Insulin in Verbindung steht und von den mutierten Zellen ausgesendet wird, um ein anderes Signal zu hemmen, das für eine rechtzeitige Entwicklung wichtig ist. Wenn es ein Problem mit Xrp1 oder dilp8 gibt, kann das Entwicklungszeitfenster wieder normal werden, was darauf hinweist, dass dilp8 eine grosse Rolle bei der Verzögerung der Entwicklung in diesen Mutanten spielt.

Neben den Mutationen, die ribosomale Proteine betreffen, sind ähnliche Entwicklungsprobleme bei Mutationen zu beobachten, die andere Teile der Ribosomenproduktion betreffen.

#Andere Faktoren, die die Ribosomenproduktion beeinflussen

In Drosophila können verschiedene Komponenten innerhalb des Nukleolus auch zu reduziertem Wachstum und Entwicklungsproblemen führen, wenn sie beeinträchtigt sind. Zum Beispiel können Proteine wie Nop60b, Nop140 und Noc1 das Wachstum negativ beeinflussen. Wenn Noc1 verringert wird, führt das zu einem Anstieg der dilp8-Spiegel, ähnlich wie bei den Minute-Mutanten.

Andere Proteine wie das Wirbeltier-ribosomale Protein uS5/RPS2 und seine Partner, PDCD2 und PDCD2L, sind gut untersuchte Regulatoren der Ribosomenproduktion. In Drosophila ist das entsprechende Gen string of pearls (sop)/RpS2. Mutationen in diesen Proteinen führen zu ähnlichen Symptomen wie bei Minute-Mutanten, was darauf hindeutet, dass sie entscheidend für die ordnungsgemässe Ribosomenbiogenese sind.

#Ribosomenaufbau und seine Konsequenzen

Wenn Proteine wie uS5/RPS2 verloren gehen, beeinträchtigt das die Bildung und Bewegung der ribosomalen Untereinheiten, was zu verschiedenen Entwicklungsdefekten führen kann. Biochemische Studien haben gezeigt, dass uS5 an PDCD2 und PDCD2L binden kann, was Proteine sind, die anscheinend durch Genverdopplung entstanden sind, bevor sich verschiedene Lebensformen trennten.

Bei Mäusen führt der Verlust von PDCD2 zu Problemen mit der frühen Entwicklung von Embryonen, während PDCD2L-Mutanten sich ebenfalls entwickeln, aber in bestimmten Phasen tödliche Folgen haben. Sowohl PDCD2 als auch PDCD2L sind entscheidend für die Bildung ribosomaler Untereinheiten.

In Drosophila führt der Verlust von Zfrp8, das PDCD2 entspricht, zu mehreren Entwicklungsproblemen, einschliesslich Wachstums- und Zellproliferationsstörungen. Studien haben gezeigt, dass Zfrp8 mit vielen verschiedenen Proteinen interagiert, was darauf hinweist, dass es mehrere Rollen über die blosse Chaperon-Funktion für uS5 hinaus hat.

#Untersuchung der Trus-Funktion

In dieser Studie wollten wir die Funktion von Trus, dem Drosophila-Gegenstück von PDCD2L, besser verstehen. Wir verglichen die Eigenschaften von trus-Mutanten mit anderen Mutanten wie Minute und Zfrp8, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu sehen, die auf die spezifische Rolle von Trus beim Ribosomenaufbau oder anderen biologischen Prozessen hinweisen könnten.

#Erstellung von trus-Mutanten

Um die Funktion von Trus zu erforschen, haben wir trus-Mutanten mit einer Genbearbeitungstechnik namens CRISPR/Cas9 erstellt. Eine der Mutationen, die wir fanden, trus1, führt zu einer signifikanten Verzögerung in der Entwicklung, was dazu führt, dass betroffene Larven bis zu 10 Tage brauchen, um ihre Lebensspanne abzuschliessen, bevor sie die Puppenphase erreichen. Diese Larven überleben oft nicht bis ins Erwachsenenalter.

Eine andere Mutation, die wir beobachteten, führte zu verschiedenen Entwicklungsverzögerungen und strukturellen Defekten. Als wir uns das Gewebe der Mutanten ansahen, fanden wir, dass das Gehirn und das Flügelgewebe im Vergleich zu normalen Fliegen erheblich kleiner waren. Das deutet darauf hin, dass Trus notwendig für das ordnungsgemässe Wachstum des Gewebes während der larvalen Entwicklung ist.

#Untersuchung der Auswirkungen von trus-Mutationen

Um die Auswirkungen von trus-Mutationen genauer zu analysieren, zerlegten wir die Gehirne und imaginalen Scheiben der mutierten Larven. Wir verwendeten spezifische Antikörper, um Zellen zu markieren, die aktiv teilten. Die Gehirne der trus-Mutanten sahen kleiner und weniger organisiert aus als die normaler Larven. Die Flügelscheiben waren ebenfalls nicht richtig entwickelt und zeigten reduzierte Grösse und abnorme Formen.

Als wir andere ähnliche Mutanten weiter untersuchten, bemerkten wir, dass die Unterschiede zwischen ihnen möglicherweise auf die Art und Weise zurückzuführen sind, wie Trus mit verschiedenen Proteinen während des Ribosomenaufbaus interagiert.

#Verständnis der Trus-Struktur

Die Struktur von Trus und seinen verwandten Proteinen ist über verschiedene Organismen hinweg stark konserviert. Bei der Analyse seiner Protein-Domains fanden wir heraus, dass Trus viele strukturelle Merkmale mit PDCD2L und PDCD2 teilt.

Ein vorhergesagtes 3D-Modell von Trus zeigte, dass es eine Kernstruktur hat, die die Idee unterstützt, dass es ähnliche Funktionen beim Ribosomenaufbau wie seine Wirbeltier-Gegenstücke erfüllt. Die Struktur ermöglicht es Trus, mit anderen wichtigen Proteinen, die an der Ribosomenproduktion beteiligt sind, zu interagieren.

#Expression von Trus in Larvenstadien

Wir untersuchten, wo Trus in Drosophila-Larven exprimiert wird. Hohe Trus-Spiegel wurden in Geweben gefunden, in denen Zellen sich teilten, wie z.B. im Gehirn und in den imaginalen Scheiben, was darauf hinweist, dass es in diesen Bereichen während des Wachstums entscheidend ist. Es war auch in nicht teilenden Geweben vorhanden, jedoch in viel niedrigeren Konzentrationen.

#Lokalisation des Trus-Proteins

Durch die Verwendung von spezifischen Antikörpern für Trus fanden wir heraus, dass das Protein hauptsächlich im Zytoplasma der Zellen lokalisiert ist. Es kann zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma wandern, was darauf hindeutet, dass es je nach Funktion an verschiedenen Orten innerhalb der Zelle unterschiedliche Rollen haben kann.

Das Blockieren der Bewegung von Trus aus dem Zellkern führte zu seiner Ansammlung dort, was darauf hindeutet, dass der Export von Trus aus dem Zellkern wichtig für seine Funktion ist.

#Rettungsexperimente zur Entwicklungsverzögerung

Um zu sehen, ob wir die durch trus-Mutationen verursachten Entwicklungsverzögerungen korrigieren konnten, behandelten wir die Larven mit Ecdysone, dem Hormon, das für das Häuten und die Metamorphose bei Insekten verantwortlich ist. Das Füttern entweder des Hormons oder seines Vorläufers führte zu einer gewissen Verbesserung im Entwicklungstiming, aber leider starben alle behandelten trus-Mutanten immer noch, bevor sie das Erwachsenenalter erreichten.

#Untersuchung von Gewebewachstums- und Proliferationsdefekten

Als wir das Wachstum des Gewebes in Flügelscheiben betrachteten, in denen die Trus-Spiegel unter Verwendung spezifischer Treiber reduziert wurden, beobachteten wir einen signifikanten Rückgang der Anzahl aktiv teilender Zellen. Das deutet darauf hin, dass Trus eine Schlüsselrolle beim Wachstum während der Entwicklung spielt.

Im Gegensatz dazu gab es keinen Anstieg des Zelltods (Apoptose) in den Gehirnen oder Flügeln der trus-Mutanten, was darauf hindeutet, dass Trus für normales Wachstum unerlässlich ist, aber nicht übermässigen Zelltod auslöst, wenn es fehlt.

#Identifizierung wichtiger beteiligter Wege

Wir untersuchten auch, ob der Xrp1-Dilp8-Weg durch das Fehlen von Trus beeinflusst wurde. Wir reduzierten Xrp1 oder Dilp8 in trus-Mutanten und stellten fest, dass dies die Entwicklungsverzögerungen erheblich verringerte, was bestätigt, dass dieser spezifische Weg das Wachstum und Timing der Entwicklung beeinflusst.

#Trus-Funktion in der Oogenese

Zusätzlich zu seiner Rolle beim allgemeinen Wachstum und der Entwicklung entdeckten wir, dass Trus auch entscheidend für die Bildung von ovarialen Strukturen in weiblichen Fliegen ist. Selbst als es uns gelang, einige Aspekte der Letalität der trus-Mutanten durch spezifische Expression von Trus zu retten, endeten die Weibchen dennoch steril.

Die Untersuchung der Eierstöcke der geretteten Weibchen zeigte, dass die Eibildung stark beeinträchtigt war, was zu einem vollständigen Fehlen reifer Eier führte.

#Fazit

Durch eine detaillierte Untersuchung der trus-Mutanten haben wir wichtige Einblicke in die Rolle von Trus beim Wachstum, der Ribosomenbiogenese und der Oogenese in Drosophila gewonnen. Die Ergebnisse heben hervor, wie Veränderungen in der Funktion von Ribosomenaufbaufactoren tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung und das Gewebewachstum haben können. Die Ähnlichkeiten zwischen Trus und seinen Wirbeltier-Gegenstücken deuten darauf hin, dass das Studium dieser Proteine zu einem besseren Verständnis ihrer Funktionen und ihrer Auswirkungen auf verschiedene Krankheiten führen könnte.