Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Wie Pro­te­ine sich wäh­rend der Zell­tei­lung fortbewegen

Symbolbild Bildung

Lie­ber längs als quer

Eine For­schungs­grup­pe um Prof. Dr. Mat­thi­as Weiss an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth berich­tet in der aktu­el­len Aus­ga­be des Fach­ma­ga­zins „Cur­rent Bio­lo­gy“ über neue bio­phy­si­ka­li­sche Erkennt­nis­se zum Pro­zess der Zellteilung.

Die Zel­len von Men­schen, Tie­ren und Pflan­zen ver­meh­ren sich durch Zell­tei­lung. Damit aus einer Zel­le zwei gene­tisch glei­che Toch­ter­zel­len ent­ste­hen kön­nen, muss sich der Zell­kern tei­len. Zu die­sem Zweck bil­det sich in der Zel­le eine spin­del­för­mi­ge Struk­tur aus, an deren Enden sich jeweils ein Zen­tro­som befin­det. Von bei­den Zen­tro­so­men gehen röh­ren­för­mi­ge Fasern – die so genann­ten Mikro­tu­bu­li – zur Mit­te der Spin­del aus, wo sich das Erb­ma­te­ri­al der Zel­le befin­det. Die gedach­te hori­zon­ta­le Linie zwi­schen bei­den Zen­tro­so­men wird dabei als Spin­del­ach­se bezeich­net. Das Erb­ma­te­ri­al besteht zu die­sem Zeit­punkt aus zwei gene­tisch iden­ti­schen Schwe­ster­chro­ma­ti­den. Die­se wer­den mit­tels der Mikro­tu­bu­li ent­lang der Spin­del­ach­se in ent­ge­gen­ge­setz­te Rich­tun­gen gezo­gen. So ist gewähr­lei­stet, dass jede der bei­den neu­en Toch­ter­zel­len das glei­che Erb­ma­te­ri­al ent­hält wie die Ausgangszelle.

Bevor die Zell­tei­lung ein­setzt, ist das Nukleo­plas­ma – der flüs­si­ge Inhalt des Zell­kerns – durch die Hül­le des Zell­kerns nach außen abge­schirmt. Außer­halb der Kern­hül­le, im Zwi­schen­raum zwi­schen dem Kern und der Außen­haut der Zel­le, befin­det sich das Zyto­plas­ma. Am Anfang der Zell­tei­lung bricht die Kern­hül­le auf, so dass Nukleo­plas­ma und Zyto­plas­ma ein zusam­men­hän­gen­des Flu­id bil­den, in dem sich die Spin­del ent­wickelt. In die­ser kom­ple­xen Flüs­sig­keit bewe­gen sich ver­schie­den­ar­tig­ste Pro­te­ine zufäl­lig in alle Rich­tun­gen. Es han­delt sich, phy­si­ka­lisch gespro­chen, um Diffusionsbewegungen.

Spek­tro­sko­pi­sche Unter­su­chun­gen zei­gen eine deut­li­che Bewegungsanomalie

Die For­schungs­grup­pe um Prof. Dr. Mat­thi­as Weiss, der an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth einen Lehr­stuhl für Expe­ri­men­tal­phy­sik lei­tet, hat das Bewe­gungs­ver­hal­ten von Pro­te­inen im Bereich der Spin­del erst­mals genau­er ana­ly­siert. Das Ergeb­nis: Pro­te­ine dif­fun­die­ren in dem aus Nukleo­plas­ma und Zyto­plas­ma gebil­de­ten Flu­id nicht gleich­mä­ßig in alle Rich­tun­gen, son­dern bevor­zu­gen Bewe­gun­gen ent­lang der Spin­del­ach­se und der Mikro­tu­bu­li. Hin­ge­gen schei­nen sie län­ge­re Wege, die quer über die Mikro­tu­bu­li füh­ren, zu scheu­en. Wäh­rend Pro­te­ine sich also inner­halb der Spin­del ent­lang der Mikro­tu­bu­li frei bewe­gen kön­nen, fällt ihnen ein Aus­bruch aus dem ‚Spin­del­ge­fäng­nis’ erheb­lich schwe­rer; denn dafür müss­ten sie eine Viel­zahl von Mikro­tu­bu­li über­schrei­ten. Pro­te­ine, die an orga­ni­sa­to­ri­schen Pro­zes­sen inner­halb der Spin­del betei­ligt sind, kön­nen infol­ge die­ses Dif­fu­si­ons­ver­hal­tens län­ge­re Zeit in der Spin­del ‚ein­ge­sperrt’ blei­ben, haben aber ‚Frei­gang‘ in den Struk­tu­ren der Spindel.

Eine Post­dok­to­ran­din und eine Master-Stu­den­tin aus der For­schungs­grup­pe um Prof. Weiss haben die­se Erkennt­nis­se in auf­wän­di­gen Expe­ri­men­ten mit Hil­fe der Fluo­res­zenz­kor­re­la­ti­ons-Spek­tro­sko­pie zuta­ge geför­dert. Die­se tech­no­lo­gisch hoch­sen­si­ti­ve Metho­de wur­de genutzt, um zu bestim­men, wie sich ein­zel­ne Mole­kü­le von grün-fluo­res­zie­ren­dem Pro­te­in (GFP) im Bereich der Spin­del bewe­gen. Die GFP-Mole­kü­le haben einen Durch­mes­ser von rund 1,5 Nano­me­tern und sind daher pro­to­ty­pisch für die mei­sten Pro­te­ine der Zel­le. Eine bevor­zug­te Dif­fu­si­on ent­lang der Spin­del­ach­se ließ sich aber nicht nur bei die­sen rela­tiv klei­nen Mole­kü­len beob­ach­ten. Grö­ße­re Par­ti­kel – näm­lich fluo­res­zie­ren­de Dext­ran­mo­le­kü­le mit einem rund zehn­fach grö­ße­ren Durch­mes­ser –ver­hiel­ten sich ähn­lich. Auch grö­ße­re mole­ku­la­re Struk­tu­ren oder sogar klei­ne Frag­men­te von Zell­orga­nel­len zei­gen mit­hin eine Prä­fe­renz für Bewe­gun­gen ent­lang der Spin­del­ach­se und der Mikro­tu­bu­li. „Die Mole­kü­le, deren Bewe­gungs­ver­hal­ten wir sicht­bar machen konn­ten, reprä­sen­tie­ren hin­sicht­lich ihrer Grö­ßen­ord­nung die Gesamt­heit der Pro­te­ine, die in der Spin­del oder in ihrer Umge­bung dif­fun­die­ren“, erklärt Prof. Weiss. „In allen Fäl­len han­delt es sich um Makro­mo­le­kü­le, und sie alle sind ent­lang der Spin­del­ach­se viel bewe­gungs­freu­di­ger als in den bei­den ver­ti­ka­len Rich­tun­gen, die von der Spin­del­ach­se wegführen.“

Zwei bio­phy­si­ka­li­sche Erklärungen

Wie ist die­se expe­ri­men­tel­le Beob­ach­tung zu erklä­ren? In „Cur­rent Bio­lo­gy“ füh­ren die Mit­glie­der der For­schungs­grup­pe zwei Ursa­chen an, die aus ihrer Sicht bei der Pro­te­in­dif­fu­si­on ver­mut­lich zusam­men­wir­ken: Im Innern der Spin­del bewe­gen sich zahl­rei­che Mole­kül­kom­ple­xe, die den Pro­zess der Zell­tei­lung in Gang set­zen und am Lau­fen hal­ten. Die dabei umge­setz­te Stoff­wech­sel-Ener­gie scheint die Zell­flüs­sig­keit ent­lang der Spin­del­ach­se und der Mikro­tu­bu­li zu flui­di­sie­ren und somit weni­ger zäh­flüs­sig zu machen. Dadurch erhal­ten Dif­fu­si­ons­be­we­gun­gen ent­lang der Spin­del­ach­se einen „Extra-Schub“. Bewe­gun­gen, die quer dazu in der Ver­ti­ka­len ver­lau­fen, fehlt dage­gen die­ses zusätz­li­che antrei­ben­de Moment. Das Flu­id erweist sich in bei­den ver­ti­ka­len Rich­tun­gen als erheb­lich zähflüssiger.

Eine wei­te­re Ursa­che liegt wahr­schein­lich in der hori­zon­ta­len Aus­rich­tung der zahl­rei­chen Mikro­tu­bu­li, die wie Greif­ar­me von den Zen­tro­so­men in die Mit­te der Spin­del füh­ren. Sie bil­den eine Struk­tur, die Dif­fu­si­ons­be­we­gun­gen ent­lang der Spin­del­ach­se unter­stützt, aber gegen­läu­fi­ge Bewe­gun­gen behin­dert. In ähn­li­cher Wei­se läuft Regen­was­ser von einem Well­blech­dach leich­ter in Rich­tung der vor­ge­ge­be­nen Rin­nen ab; Fließ­be­we­gun­gen, die quer zu die­ser Struk­tur ver­lau­fen, wer­den hin­ge­gen erschwert.

„Ein geschick­ter Kunst­griff der Natur“

„Die Ano­ma­lie im Dif­fu­si­ons­ver­hal­ten ist ein geschick­ter Kunst­griff der Natur, der dar­auf hin­wirkt, dass wich­ti­ge Makro­mo­le­kü­le nicht kurz­fri­stig aus der Spin­del her­aus­drif­ten und ver­lo­ren­ge­hen“, meint Prof. Weiss. „Das Mate­ri­al, das für den Auf­bau der Spin­del und für die Ent­ste­hung gene­tisch glei­cher Toch­ter­zel­len benö­tigt wird, bleibt somit über län­ge­re Zeit bei­sam­men. Orga­ni­sa­ti­ons- und Trans­port­pro­zes­se wer­den durch hori­zon­ta­le Dif­fu­si­ons­be­we­gun­gen unter­stützt, so dass ein feh­ler­frei­er Zell­tei­lungs­pro­zess viel wahr­schein­li­cher ist, als wenn sich der Bewe­gungs­drang der Pro­te­ine in alle Rich­tun­gen gleich stark ent­fal­ten würde.“

Ver­öf­fent­li­chung

Nisha Pawar, Clau­dia Donth, and Mat­thi­as Weiss,
Aniso­tro­pic Dif­fu­si­on of Macro­mole­cu­les in the Con­ti­guous Nucleo­cy­to­plas­mic Flu­id during
Euka­ryo­tic Cell Division,
Cur­rent Bio­lo­gy 24, 1–4, August 18, 2014 – DOI: 10.1016/j.cub.2014.06.072