Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Molekulare Grammatik der Phasentrennung

Autoren
Hyman, Anthony; Alberti, Simon
Abteilungen
Organization of cytoplasm
Zusammenfassung
Damit unterschiedliche Reaktionen ungestört voneinander ablaufen können, braucht eine Zelle räumlich getrennte Reaktionsbereiche. Das geht auch ohne Biomembran: in Kondensaten können Proteine und RNAs durch eine Phasentrennung angereichert werden und ihre verschiedenen Funktionen erfüllen. Die Mechanismen dieser Phasentrennung bergen den Schlüssel zu einigen der größten offenen Fragen der Biologie und ebnen den Weg für eine revolutionäre Entwicklung in der Zellphysik. Wir haben eine molekulare Grammatik entschlüsselt, die der Phasentrennung einiger Proteine zugrundeliegt.

Einleitung

Betrachtet man ein Dorf voller Menschen, so gehen diese ihren unterschiedlichen Aufgaben an verschiedenen Orten nach. Auch eine Zelle muss, um zu funktionieren, unterschiedliche Stoffwechselaktivitäten gleichzeitig ausüben. Damit diese Reaktionen ungestört voneinander ablaufen können, besitzt die Zelle bekanntermaßen verschiedene Organellen, wie Mitochondrien und Chloroplasten, die von einer Lipidmembran umschlossen sind. Es gibt jedoch noch eine weitere Möglichkeit: membranlose Kompartimente, die durch die Entmischung (Phasenseparation) bestimmter flüssiger Zellkomponenten entstehen und sich damit ähnlich verhalten wie Öltropfen in Wasser.

Unsere Arbeitsgruppe um Anthony Hyman erforscht, welche Proteine die Bildung solcher flüssigen Kompartimente steuern. Ergänzend dazu interessiert sich das Team um Simon Alberti, ehemals Max-Planck-Forscher und nun am Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden, hauptsächlich für Proteine, die genau das Gegenteil tun und verklumpen. Dass sie das tun, liegt daran, dass sie Abschnitte enthalten, die dazu führen, dass sich die Proteine falsch falten und mit der Zeit zu weniger dynamischen Gelen verfestigen – ein Mechanismus, wie er bislang von Prionen bekannt war. In diese Kategorie gehört das Protein FUS, welches zudem mit der Krankheit ALS und anderen altersbedingten neurodegenerative Erkrankungen in Verbindung gebracht wird. In gesunden Zellen verhält sich FUS wie eine Flüssigkeit: Es bildet kugelförmige Tropfen, die Moleküle darin können sich frei bewegen, und kommen sich zwei Tropfen nahe, verschmelzen sie zu einem großen Tropfen. Allerdings wechselt FUS bei ALS-Patienten seinen Aggregatzustand und wird fest.

Bisher verstand man nicht ganz, welcher sequenz-spezifische Code von Aminosäuren oder welche Aminosäuren eine Phasentrennung antreiben oder einen Verfestigungsprozess auslösen und damit die Materialeigenschaften von biomolekularen Kompartimenten steuern. Daher war es bisher auch schwierig, die Phasentrennungseigenschaften in Zellen zu beeinflussen. Das machte es wiederum schwerer, die biologischen Funktionen der Kompartimente weiter zu erforschen. 

Die Molekulare Grammatik steckt in der Proteinsequenz

Gemeinsam mit der Forschungsgruppe des Biotechnologischen Zentrums der TU Dresden sowie Jeong-Mo Choi und Alex Holehouse aus der Arbeitsgruppe von Rohit Pappu an der Washington University in St. Louis, USA haben wir mit einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Analysen eine molekulare Grammatik der FUS-Proteine entdeckt. Diese molekulare Grammatik steckt in der Proteinsequenz und sorgt dafür, dass sich flüssige Bestandteile durch Phasentrennung bei der Bildung von Organellen entmischen. Dabei fanden wir heraus, dass speziell die Aminosäurereste Tyrosin und Arginin die Phasentrennung regulieren. Weiterhin sorgt die Aminosäure Glycin dafür, dass Proteintropfen flüssig bleiben, während die Aminosäuren Glutamin und Serin eine Verfestigung vorantreiben. Jie Wang, der Erstautor der Studie, erklärt: "Wir haben also festgestellt, dass das Phasentrennungsverhalten von Prionen-ähnlichen RNA-Bindungsproteinen durch bestimmte Aminosäuren bestimmt wird. Darüber hinaus zeigen die theoretischen Arbeiten der Studie, dass das Phasenverhalten durch die Chemie dieser Aminosäuren vorhergesagt werden kann."  Darüber hinaus entwickelte unser Team mittels gezielter Mutationen Polymermodelle, welche die Phasentrennung von Proteinen in Zellen beeinflussen. Relativ mühelos gelang es, die Triebkräfte für die Phasentrennung und die Materialeigenschaften von FUS Proteinen durch diese Mutation zu verändern.

Die Aminosäuren-Sequenz kann Phasentrennung vorhersagen

Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass Wissenschaftler in naher Zukunft die Eigenschaften von Phasentrennung auf der Basis von Aminosäuren-Sequenzen vorhersagen und untersuchen können. Damit könnte es bald möglich sein, Proteine mit ausgeprägten Phasentrennungseigenschaften allein auf der Grundlage ihrer Proteinsequenzen zu bestimmen und zu entwickeln. Diese Proteine können dann in lebende Zellen eingebracht werden, um die Funktion und Krankheitsanfälligkeit biomolekularer Kondensate zu untersuchen. Das würde in Zukunft Einblicke in die Mechanismen altersbedingter Erkrankungen ermöglichen.

Literaturhinweise

1.
Wang, J.; Choi, J.M.; Holehouse, A.S.; Zhang, X.; Jahnel, M.; Lemaitre, R.; Maharana, S.; Pozniakovsky, A.; Drechsel, D.; Poser, I.; Pappu, R.V.; Alberti, S.; Hyman, A.A.
A molecular grammar underlying the driving forces for phase separation of prion-like RNA binding proteins
Cell, in press (2018)
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