Forschungsbericht 2011 - Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft

Einblicke in die Regulation der Zellteilung

Autoren
Hauf, Silke
Abteilungen
Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft, Tübingen
Zusammenfassung
Die Teilung einer Zelle in zwei Tochterzellen erfordert eine Vielzahl zellulärer Veränderungen. Kinasen, die Proteine durch Hinzufügen von Phosphat-Gruppen modifizieren, spielen dabei eine zentrale Rolle. Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium haben untersucht, welche Proteine durch die Aurora-Kinase modifiziert werden. Aurora-Kinasen sind für die korrekte Verteilung der Erbinformation auf die Tochterzellen notwendig, und Hemmstoffe für diese Kinasen sind derzeit in der klinischen Entwicklung. Diese Arbeiten sind daher sowohl von wissenschaftlicher als auch klinischer Bedeutung.

Zellteilung - Aus eins mach zwei

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen, die durch Teilung aus anderen Zellen hervorgegangen sind. Die Teilung von Zellen in zwei Tochterzellen wurde erstmals im 19. Jahrhundert beobachtet, als Mikroskope entwickelt worden waren, mit denen man die oft nur ein hundertstel Millimeter großen Zellen beobachten konnte. Zellteilung unter dem Mikroskop zu verfolgen, ist gestern wie heute faszinierend, da die Zellen eine Reihe von sichtbaren Veränderungen durchlaufen (Abb. 1). Die DNA wird in eine kompakte Form umgewandelt, sodass die einzelnen Chromosomen sichtbar werden; lange Proteinpolymere, die Mikrotubuli, bilden sich aus und ziehen die beiden Kopien eines Chromosoms zu den entgegengesetzten Zellenden; schließlich schnüren sich die beiden neu entstehenden Tochterzellen ab.

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Zellen während der Zellteilung. Die molekularen Vorgänge, die der Zellteilung zugrunde liegen, ähneln sich in so verschiedenen Zelltypen wie Säugerzellen (oben) und Hefe (unten). Die Teilung einer Hefezelle ist ganz unten schematisch gezeigt. Die DNA ist blau, die Mikrotubuli sind rot dargestellt.

Während dieses komplexen Vorgangs bekommen Tochterzellen alle Bestandteile, die sie zum Überleben brauchen. Dies alles geschieht mit einer beeindruckenden Zuverlässigkeit. Der menschliche Körper etwa entsteht durch Billionen fehlerlos ablaufender Zellteilungen aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Die Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium interessiert, wie die Vorgänge bei der Zellteilung reguliert und miteinander koordiniert werden. Dabei fokussieren sie ihre Studien auf Zellen der Hefe Schizosaccharomyces pombe. Dies mag exotisch erscheinen, doch haben Arbeiten der letzten Jahrzehnte gezeigt, dass man in diesen Zellen grundlegende Prozesse erforschen kann, die im Vergleich zur Hefe in den weitaus komplexeren Zellen der Säugetiere sehr ähnlich ablaufen.

Kinasen bewirken wichtige Veränderungen für die Zellteilung

Zellteilung ist nicht nur ein dramatisch anzusehender, sondern im Verhältnis zu der Zeit, die zwischen Zellteilungen vergeht, auch ein schneller Vorgang. Wie kann es sein, dass sich sowohl die Form der Zelle als auch deren Aufbau innerhalb kürzester Zeit so dramatisch verändern? Einen wesentlichen Einfluss hat dabei die chemische Modifikation von Proteinen. Dabei werden chemische Gruppen angefügt oder entfernt, was die Eigenschaften des Proteins verändert. Das Hinzufügen von Phosphatgruppen an bestimmte Aminosäuren einer Polypeptidkette, Phosphorylierung genannt, ist eine weit verbreitete Form chemischer Veränderungen, die auch während der Zellteilung von essenzieller Bedeutung ist. Die Phosphorylierungsreaktion wird durch andere Proteine, so genannte Kinasen, katalysiert. Die Phosphorylierung eines Proteins kann verschiedene Auswirkungen haben: Die Faltung der Polypeptidkette oder die Bindung an andere Moleküle kann sich ändern oder das Protein kann stabilisiert beziehungsweise abgebaut werden. Kinasen bewirken typischerweise die Phosphorylierung nicht nur eines, sondern mehrerer Proteine. Auf diese Weise können sie eine Reihe von Veränderungen gleichzeitig bewirken, wie es während der Zellteilung notwendig ist.

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Wirkmechanismus der Aurora-Kinase. Die Aurora-Kinase (grün) bindet während früher Stadien der Zellteilung an Chromosomen (blau) und stellt die korrekte Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen sicher, indem sie Proteine (grau) modifiziert, die das Chromosom mit Mikrotubuli (rot) verbinden.

Diejenigen Kinasen, die bei der Zellteilung eine Rolle spielen, sind bereits weitgehend bekannt. So ist beispielsweise eine Cyclin-abhängige-Kinase notwendig, um die Zellteilung zu initiieren. Die Aurora-Kinase wiederum wird aktiviert, wenn die Zellteilung begonnen hat, und ist notwendig, damit die Chromosomen komprimiert und korrekt an die Mikrotubuli angeheftet werden (Abb. 2 [1, 2]). Um zu verstehen, auf welche Art und Weise diese Kinasen das zelluläre Geschehen beeinflussen, muss man deren Substrate, also diejenigen Proteine, die mithilfe der Kinase phosphoryliert werden, kennen. Diese zu identifizieren hat sich jedoch als sehr schwierig herausgestellt [3].

Kinase-Substrate identifizieren - Die Suche nach den Nadeln im Heuhaufen

Um alle Substrate der Aurora-Kinase aufzudecken, haben Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium gemeinsam mit Kollegen an der Universität Tübingen nun eine neuartige Methode verwendet, die ursprünglich am Max-Planck-Institut für Biochemie entwickelt wurde [4]. Mithilfe einer auf Massenspektrometrie basierenden Methode können nun fast alle Proteine der Zelle auf Phosphorylierungen hin untersucht werden. Durch eine am Max-Planck-Institut für Biochemie entwickelte Erweiterung, das so genannte SILAC-Verfahren, können darüber hinaus sogar die Phosphorylierungen in zwei unterschiedlichen Zellproben direkt verglichen werden. Dies macht es möglich zu studieren, wie sich die Hemmung einer Kinase auf die intrazellulär vorhandenen Phosphorylierungen auswirkt (Abb. 3). Wie bei der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen muss man dabei die wenigen Phosphorylierungen, die verloren gehen, von den tausenden Phosphorylierungen, die auch bei Hemmung der Kinase weiter bestehen, unterscheiden können. Den Forschern am Friedrich-Miescher-Laboratorium ist dies nun gelungen. Sobald die Aurora-Kinase gehemmt wurde, nahm die Phosphorylierung einiger weniger Proteine deutlich ab. Die Tatsache, dass darunter Proteine waren, von denen bereits bekannt war, dass sie durch die Aurora-Kinase phosphoryliert werden, zeigt, dass die Methode zuverlässig funktioniert. Neben diesen bekannten Substraten wurde eine noch größere Anzahl bislang unbekannter Substrate gefunden, und die Art der gefunden Substrate weist darauf hin, dass die Aurora-Kinase bislang unerwartete Funktionen während der Zellteilung erfüllt. Die Forscher arbeiten nun daran, diese im Detail aufzuklären.

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Identifizierung von Kinase-Substraten durch vergleichende Analyse aller Phosphorylierungsstellen. Mittels Massenspektrometrie können die Phosphorylierungen in normalen Zellen mit denjenigen verglichen werden, die vorhanden sind, wenn die Aurora-Kinase gehemmt wurde. Mit dieser Technik lassen sich die von der Aurora-Kinase modifizierten Proteine aufspüren. Wenn die Aurora-Kinase inhibiert ist (rechts), durchlaufen die Zellen eine fehlerhafte Zellteilung, wobei die DNA, wie im unteren Teil der Abbildung in blau gezeigt, nicht korrekt in die entstehenden Tochterzellen gelangt. Bei sich normal teilenden Zellen (links) wird die DNA symmetrisch auf die sich entstehenden Tochterzellen verteilt.

Ausblick

Aurora-Kinasen sind für die Zellteilung unabdingbar, und deren Funktionsweise zu verstehen ist von grundlegender wissenschaftlicher Bedeutung. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass die Hemmung von Aurora-Kinasen Tumorwachstum verlangsamen kann. Spezifische Hemmstoffe für Aurora-Kinasen werden daher zurzeit am Menschen auf ihre Wirksamkeit in der Tumorbehandlung getestet [5]. Noch ist unklar, ob die von den Forschern in Hefe identifizierten Aurora-Substrate auch in menschlichen Zellen durch Aurora modifiziert werden. Aufgrund verschiedener Beobachtungen scheint dies aber wahrscheinlich. Wenn dies der Fall ist, könnte die Behandlung mit Aurora-Kinase Hemmern auch Auswirkungen haben, die man bislang nicht erwartet hat. Ob dies für das Aufhalten des Tumorwachstums hilfreich ist oder möglicherweise zu unerwünschten Nebenwirkungen führt, ist noch unklar.

Neben ihrer wissenschaftlichen und klinischen Bedeutung legen die erzielten Ergebnisse auch nahe, dass die hier verwendete Technik für die Identifizierung der Substrate weiterer Kinasen eingesetzt werden kann. Kinasen gehören zu den häufigsten Proteinarten in der Zelle und sind - neben ihrer Rolle in der Zellteilung - an fast allen Signalübertragungswegen in der Zelle beteiligt. Aufzuklären, welche Proteine durch eine bestimmte Kinase phosphoryliert werden, wird die Forscher in ihrem Bestreben, komplexe zelluläre Prozesse zu verstehen, einen wichtigen Schritt voranbringen.

1.
S. Hauf, Y. Watanabe:
Kinetochore orientation in mitosis and meiosis.
Cell 119, 317 - 327 (2004).
2.
S. Hauf, A. Biswas, M. Langegger, S. A. Kawashima, T. Tsukahara, Y. Watanabe:
Aurora controls sister kinetochore mono-orientation and homolog bi-orientation in meiosis-I.
The EMBO Journal 26, 4475 - 4486 (2007).
3.
A. Koch, S. Hauf:
Strategies for the identification of kinase substrates using analog-sensitive kinases.
European Journal of Cell Biology 89, 184 - 193 (2010).
4.
M. Mann:
Das erste vollständige Proteom.
Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft, München (2010).
5.
S. M. Lens, E. E. Voest, R. H. Medema:
Shared and separate functions of polo-like kinases and aurora kinases in cancer.
Nature Reviews Cancer 10, 825 - 841 (2010).
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