Wenn Zellen sich trennen

  28. März 2011 – Damit aus einer Zellteilung zwei unabhängige Tochterzellen hervorgehen, muss die Membran der sich teilenden Zelle getrennt werden. In der neusten Ausgabe von «Science» präsentiert ein Team um Daniel Gerlich, Professor am Institut für Biochemie an der ETH Zürich, ein Modell, das diesen letzten Schritt bei der Teilung von menschlichen Zellen abbildet.

Bevor sich eine Zelle teilt, werden zunächst alle wesentlichen Bestandteile, wie zum Beispiel das Erbgut, verdoppelt. Die DNS verteilt sich auf die zwei Tochterzellen, indem sie an röhrenförmigen Strukturen, sogenannten Mikrotubuli, aus denen auch das Zellskelett besteht, entlang wandert. In der Mitte der Zelle bildet sich inzwischen eine Teilungsfurche, die von einem Proteinring immer enger zusammengezogen wird.

Grün: Die spiralförmigen Proteinstrukturen, welche die interzelluläre Brücke einschnüren. Rot: Mikrotubuli. Gelb: Zellmembran.
(Bild: Daniel Gerlich / ETH Zürich)

Dabei kommt sich die äussere Membran der Zelle immer näher. Am Schluss sind die Tochterzellen nur noch über einen dünnen interzellulären Kanal verbunden.

Die Mikrotubuli, an denen die DNS zuvor zu den entgegengesetzten Enden der Zelle gewandert ist, werden in diesem interzellulären Kanal zusammengepfercht. Zum Schluss der Zellteilung müssen die Mikrotubuli zerlegt und die Zellmembran getrennt werden, damit zwei eigenständige Tochterzellen entstehen. Diesen letzten Schritt der Zellteilung hat ein Team um Daniel Gerlich, Professor am Institut für Biochemie der ETH Zürich, und Thomas Müller-Reichert von der Technischen Universität Dresden, erforscht. Was genau geht vor sich, wenn sich die Zellmembran teilt und die Mikrotubuli zerlegt werden?

Winzige Herausforderung
Dies herauszufinden ist schwierig: Der interzelluläre Kanal ist eine winzige Struktur, die kurz vor der Trennung der Tochterzellen einen Durchmesser von nur einem tausendstel Millimeter aufweist. Dies und die Tatsache, dass der interzelluläre Kanal während der Zellteilung nur für fünf bis zehn Minuten besteht, erschweren die Untersuchung der Vorgänge, die sich dort abspielen. Die Wissenschaftler um Gerlich beobachteten menschliche Zellen mit dem Lichtmikroskop, die sich im späten Stadium der Zellteilung befanden. Sobald der Blick ins Mikroskop zeigte, dass die Zerlegung der Mikrotubuli im interzellulären Kanal begonnen hatte, war der richtige Zeitpunkt erreicht: Die Trennung der Zellen stand kurz bevor. Sofort konservierten die Forscher die Zellen chemisch und schnitten sie in dünne Scheiben, um mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop dreidimensionale Bilder herzustellen. Dabei stellten sie fest, dass die Oberfläche des interzellulären Kanals in regelmässigen Abständen eine gekräuselte Struktur aufwies.

Weitere Untersuchungen mit dreidimensionaler Elektronenmikroskopie zeigten, dass die gekräuselte Struktur aus fadenförmigen Proteinen (Filamenten) aufgebaut war, die in einer spiralförmigen Anordnung die interzelluläre Brücke einschnürten. Dies hat gewisse Ähnlichkeit zu dem Proteinring, der zu einem früheren Zeitpunkt der Zellteilung die Teilungsfurche immer mehr einschnürt. Die Wissenschaftler spekulierten deshalb, dass auch die von ihnen neu entdeckten Filamente eine Kraft auf den interzellulären Kanal ausüben könnten, die ihn zusammendrücken und die Membran schlussendlich trennen könnten.

Das fehlende Glied
Schon frühere Studien zeigten, dass die Mikrotubuli im interzellulären Kanal vom Enzym Spastin zerlegt werden. Die Forschungsergebnisse von Gerlich und Reichert deuteten aber darauf hin, dass die Aktivität von Spastin allein nicht ausreicht, um die Tochterzellen vollständig zu trennen. Die Wissenschaftler ahnten deshalb, dass es sich bei den neu entdeckten Proteinfilamenten um das fehlende Glied handeln könnte, das für die Trennung des interzellulären Kanals unentbehrlich ist. Sie vermuteten, dass die neu entdeckten Proteinfilamente aus dem Proteinkomplex ESCRT III aufgebaut sein könnten.

Das Enzym ESCRT III hilft dabei, Membran-Bläschen von der Zelloberfläche abzuschnüren, zum Beispiel, wenn Viren eine infizierte Zelle verlassen. Diese Fähigkeit von ESCRT III macht es zu einem möglichen Kandidaten, der dabei helfen könnte, die Verbindung zwischen Tochterzellen zu trennen. Die Wissenschaftler zeigten, dass sich ESCRT III tatsächlich in der interzellulären Brücke ansammelt, kurz bevor sich die Membran trennt. Entfernten sie ESCRT III, bildeten sich keine spiralförmigen Filamente auf der Oberfläche der interzellulären Brücke und die Trennung zwischen den Zellen konnte nicht erfolgen. Andere Studien zeigten ausserdem, dass ESCRT III unter bestimmten Bedingungen tatsächlich lange Proteinketten bilden kann. Die gesammelten Befunde deuten darauf hin, dass die gekräuselte Struktur, die die interzelluläre Brücke einschnürt, aus ESCRT III Proteinfilamenten bestehen könnte.

Überzeugendes Modell trotz offener Fragen
Der sichere Beweis, dass die neu entdeckten Filamente wirklich aus ESCRT III aufgebaut sind, steht noch aus. Auch der Mechanismus, über den die Filamente die interzelluläre Brücke zwischen den Tochterzellen einschnüren und die Membranen auseinandertrennen, liegt noch im Dunkeln. «Diese offenen Fragen wollen wir nun gezielt angehen», sagt Gerlich. Und dennoch: Mit ihren Forschungsresultaten haben die Wissenschaftler um Gerlich und Reichert ein neues, überzeugendes Modell für die Trennung der Verbindung zwischen Tochterzellen entwickelt. Es scheint sich um einen von ESCRT III koordinierten und getriebenen Prozess zu handeln, bei dem der interzelluläre Kanal eingeschnürt wird und die Mikrotubuli in seinem Innern gleichzeitig von Spastin zerlegt werden.

Literaturhinweis
Guizetti J, Schermelleh L, Mäntler J, Maar S, Poser I, Leonhardt H, Müller-Reichert T, Gerlich D. Cortical Constriction During Abscission Involves Helices of ESCRT-III–Dependent Filaments. Science 25 March 2011: Vol. 331 no. 6024 pp. 1616-1620. DOI: 10.1126/science.1201847

Quelle: ETH Zürich
Autor: Anna-Katharina Ehlert

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