Umgang mit falsch gefalteten Proteinen bei der Zellteilung

Proteine sind essentielle Moleküle in unserem Körper und erledigen verschiedene Aufgaben, die fürs Leben nötig sind. Wenn Proteine hergestellt werden, müssen sie sich in bestimmte Formen falten, um richtig zu funktionieren. Manchmal klappt das aber nicht, und es entstehen falsch gefaltete Proteine, die zusammenklumpen können. Das ist nicht nur schlecht für das betroffene Protein, sondern kann auch Probleme für andere Proteine verursachen und das Gleichgewicht in der Zelle stören, was zu Problemen wie Alterung und Krankheiten wie Alzheimer führen kann.

Zellen haben eigene Systeme, um damit umzugehen und falsch gefaltete Proteine zu reparieren. Diese Systeme helfen dabei, die Proteine richtig zu falten oder sie abzubauen, um ein Zusammenklumpen zu verhindern. Eine wichtige Gruppe von Helfern in diesem Prozess nennt man Molekulare Chaperone. Sie unterstützen das richtige Falten neuer Proteine und können auch falsch gefaltete Proteine zur Zerstörung schicken oder helfen, Proteinaggregate aufzulösen.

#Falsch gefaltete Proteine und deren Folgen

Falsch gefaltete Proteine zeigen oft Teile von sich, die eigentlich versteckt sein sollten, wodurch sie aneinander kleben und Aggregate bilden. Diese Aggregate verlieren nicht nur die ursprüngliche Funktion der Proteine, sondern können auch das Funktionieren anderer Proteine stören, die in ihrer Nähe sind. Diese Fehlverwaltung der Proteine führt zu dem, was Wissenschaftler "Proteostase-Stress" nennen, was ein wesentlicher Faktor für Alterung und neurologische Erkrankungen ist.

Zellen versuchen, eine ausgeglichene Proteinumgebung aufrechtzuerhalten, die als Proteostase bekannt ist, indem sie verschiedene Methoden anwenden. Wenn Proteine falsch gefaltet werden, helfen Chaperone dabei, sie richtig zu falten. Wenn das nicht klappt, können diese Proteine für den Abbau geschickt oder in bestimmte Bereiche innerhalb der Zelle gebracht werden, um ihre schädlichen Effekte zu minimieren.

#Chaperone und ihre Rolle bei der Aufrechterhaltung der Proteostase

Molekulare Chaperone sind entscheidende Bestandteile im Proteinqualitätskontrollsystem. Sie helfen neuen Proteinen, sich richtig zu falten, und verwalten falsch gefaltete, indem sie sie für den Abbau markieren. Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein wichtiges Organell, in dem viele Proteine verarbeitet werden, und kann zusammenklumpungsanfällige Proteine in einem nicht-toxischen Zustand halten, dank einer spezialisierten Umgebung voller Chaperone.

Eines der wichtigsten Chaperon-Proteine im ER heisst BiP. Es hilft, die Antwort auf falsch gefaltete Proteine (UPR) zu regulieren, die der Zelle hilft, mit einer Überzahl an falsch gefalteten Proteinen umzugehen. Wenn zu viele Proteine falsch gefaltet sind, kann die UPR in Gang gesetzt werden, um die weitere Proteinproduktion zu stoppen und die Aktivität der Qualitätskontrollmechanismen zu erhöhen, um die problematischen Proteine zu entfernen oder neu zu falten.

#Folgen von Stress im endoplasmatischen Retikulum

Trotz der Schutzmechanismen gibt es Zeiten, in denen das ER mit falsch gefalteten Proteinen überfordert ist, was zur Bildung von Aggregaten führt. Diese Aggregate können zusätzlichen Stress in der Zelle verursachen, was zur Alterung und zu verschiedenen Krankheiten beiträgt. Zum Beispiel können Zellen, die asymmetrisch teilen, Aggregate in einer der Tochterzellen zurückhalten, was die Langlebigkeit und Gesundheit dieser Zelle beeinträchtigt. Wie genau Proteinaggregate während der Zellteilung verwaltet werden, insbesondere in Zellen, die symmetrisch teilen, ist jedoch weniger klar.

#Forschungsschwerpunkt: Schicksal der Proteinaggregate

Die Forscher wollten herausfinden, wie Proteinaggregate in menschlichen Zellen während der Zellteilung behandelt werden. Sie verwendeten einen speziellen Reporter, der aus einem modifizierten Luciferase-Enzym bestand, das anfällig für Fehlfaltung und Aggregation ist, und mit einem grünen fluoreszierenden Protein verbunden war. Dieser Reporter wurde auf das ER gezielt, um zu überwachen, wie Aggregate in lebenden Zellen, insbesondere in Brustepithelzellen, gebildet und verändert wurden.

Interessanterweise bildete der modifizierte Luciferase bei starker Expression sichtbare Aggregate im Kern dieser Zellen, ohne zusätzlichen Stress für die Zelle zu verursachen. Die Forscher bemerkten, dass diese Aggregate die Aktivität des Enzyms verringerten, was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich fehlgefaltet waren. Ausserdem konnten spezifische Farbstoffe diese Aggregate färben und bestätigten, dass es sich um falsch gefaltete Proteine handelte.

#Bildung und Dynamik von Aggregaten

Die Studie zeigte, dass die Bildung dieser Proteinaggregate nicht auf eine spezifische Zelllinie beschränkt war. Ähnliche Aggregate traten auch in anderen Zelltypen auf. Die Forscher entdeckten zudem, dass, obwohl diese Aggregate im Kern erschienen, sie tatsächlich von der ER-Membran umgeben waren und eine einzigartige membranartige Struktur bildeten.

Als sie die Dynamik dieser Aggregate untersuchten, stellten sie fest, dass ihr Umsatz – also wie schnell sie sich auflösen und neu bilden konnten – je nach Phase des Zellzyklus variierte. In wachsenden Zellen (Interphase) zeigten Aggregate einen minimalen Umsatz. Während der Mitose gab es jedoch einen deutlichen Anstieg ihres Umsatzes, was darauf hindeutet, dass die Zelle möglicherweise unterschiedliche Strategien zur Behandlung von Aggregaten je nach ihrem Zustand hat.

#Abbau-Mechanismus während der Zellteilung

Angesichts der Unterschiede in der Dynamik der Aggregate erkundeten die Forscher, wie sich Aggregate während der Zellteilung verhielten. Sie kategorisierten Zellen basierend auf ihren Stadien im Zellzyklus und bemerkten, dass die Anzahl und Grösse der Aggregate während der späteren Phasen der Teilung, wie Telophase und frühe G1-Phase, signifikant abnahm. Dies deutete darauf hin, dass ein aktiver Abbauprozess während der Zellteilung stattfand.

Sie überwachten Zellen, nachdem sie sie in der G2/M-Phase synchronisiert und in die Mitose entlassen hatten. Sie beobachteten, dass als die Zellen in die Mitose eintraten und die Kernhülle sich auflöste, die Aggregate aus dem Kern freigesetzt wurden und die Anzahl der Aggregate während des Zellzyklus allmählich abnahm. Bis die Zellen die Teilung abgeschlossen hatten, waren nur noch sehr wenige Aggregate nachweisbar.

#Einfluss von Stressoren auf den Abbau von Aggregaten

Um zu verstehen, ob Stressoren Auswirkungen auf den Abbau von Aggregaten während der Teilung haben könnten, behandelten die Forscher Zellen mit Medikamenten, die ER-Stress induzieren. Als sie die Anzahl und Grösse der Aggregate in verschiedenen Phasen der Teilung betrachteten, fanden sie heraus, dass in der frühen Phase die Aggregate in Kontroll- und behandelten Zellen ähnlich waren. Später im Teilungsprozess waren jedoch signifikant mehr Aggregate in Zellen vorhanden, die mit Stressoren behandelt wurden, im Vergleich zu denen, die nicht behandelt wurden.

Interessanterweise hinderte eine kurzfristige Exposition gegenüber Stressoren den Abbau von Aggregaten, während eine längere Behandlung mit bestimmten Stressoren zu einer besseren Entfernung von Aggregaten führte. Das unterstrich, dass der Zeitpunkt der Stressexposition einen grossen Einfluss darauf haben kann, wie Zellen mit falsch gefalteten Proteinen während der Teilung umgehen.

#Rolle der Chaperone beim Abbau von Aggregaten

Die Forscher fanden auch eine erhöhte Expression des Chaperon-Proteins BiP in Zellen, die mit dem modifizierten Luciferase-Stress zu tun hatten. Das führte sie dazu, zu untersuchen, ob BiP für den Abbau von Aggregaten während der Teilung entscheidend ist. Als sie die BiP-Aktivität hemmten, beobachteten sie eine signifikante Ansammlung von Aggregaten in den behandelten Zellen, was darauf hindeutet, dass BiP eine wichtige Rolle beim Abbau von Aggregaten spielt.

Weitere Experimente bestätigten, dass wenn die BiP-Aktivität gehemmt wurde, die Aggregate in den Zellen blieben, anstatt entfernt zu werden. Das deutet darauf hin, dass BiP dabei hilft, die Dissoziation von Aggregaten zu erleichtern, sodass sie entweder neu gefaltet oder zur Zerstörung geschickt werden können.

#Die Rolle von Proteasomen und Zellzyklus

Proteine, die für den Abbau markiert sind, durchlaufen oft Proteasomen, die wie Entsorgungsanlagen in Zellen wirken. Die Forscher erkundeten, ob der Abbau von Aggregaten während der Teilung mit diesen Proteasomen verknüpft war. Nachdem sie teilenden Zellen mit Proteasom-Hemmern behandelt hatten, stellten sie fest, dass die Aggregatwerte anstiegen, was die Rolle der Proteasomen im Abbauprozess bestätigt.

Um den Zusammenhang zwischen Zellzyklus und Abbau von Aggregaten besser zu verstehen, untersuchten sie, wie Proteine aus dem Zytoplasma abgebaut wurden, als die Zellen die Mitose verliessen. Indem sie bestimmte Proteine hemmten, die eine Rolle bei der Regulierung des Zellzyklus spielen, beobachteten sie, dass der Abbau von Aggregaten selbst bei Inhibition der Proteasomen stattfand. Das deutete darauf hin, dass auch weitere Mechanismen zu diesem Abbau beitrugen.

#Ergebnisse zu Abbau-Mechanismen von Aggregaten

Die wichtigsten Ergebnisse deuteten darauf hin, dass der Abbau von Proteinaggregaten aus Zellen hauptsächlich während der Mitose stattfindet und nicht nur auf das Proteasomen-System angewiesen ist. Die Forscher stellten ausserdem fest, dass ein spezifischer Protein-Komplex, bekannt als anaphase-promoting complex (APC/C), keine Rolle beim Abbau von Aggregaten spielte. Stattdessen schien der Prozess mit einer Veränderung der zellulären Aktivitäten, während sich die Zellen von der Mitose zur nächsten Phase des Zellzyklus bewegten, verknüpft zu sein.

Ihre Studien deuteten darauf hin, dass die Organisation und Struktur des ER sich während der Zellteilung verändert, was möglicherweise hilft, Proteinaggregate zu entfernen. Während sich die Zellen teilen, könnte die Umorganisation des ER helfen, falsch gefaltete Proteine zu verwalten und die ordnungsgemässe Segregation zellulärer Komponenten sicherzustellen.

#Fazit

Die Forschung hat aufgezeigt, wie Zellen mit falsch gefalteten Proteinen während der Teilung umgehen und mehrere Mechanismen aufgedeckt, die in diesem Prozess beteiligt sind. Die Rolle molekularer Chaperone, insbesondere BiP, wurde als entscheidend für den Abbau von Proteinaggregaten hervorgehoben. Ausserdem hatte der Zeitpunkt der Stressexposition einen signifikanten Einfluss darauf, wie effizient Zellen mit Fehlfaltungen während der Teilung umgehen konnten.

Diese Arbeit unterstreicht die Wichtigkeit, die Proteinverwaltung in Zellen zu verstehen, besonders in Bezug auf Krankheiten, die durch Proteinfehlfaltung verursacht werden. Mit weiteren Studien könnten diese Erkenntnisse zu verbesserten Strategien für den Umgang mit zellulärem Stress und zur Aufrechterhaltung der Proteostase führen, was potenziell neue Behandlungsmöglichkeiten für Alterung und neurodegenerative Erkrankungen eröffnen könnte.