Die innere Uhr des Zellskeletts

Die Energieumwandlung in Aktin-Filamenten folgt einer einfachen statistischen Gesetzmäßigkeit.

27. September 2011

Alle Zellen von Tieren und Pflanzen enthalten Aktin, ein Protein, das sich zu langen Filamenten zusammenlagert. Wenn Zellen ihre Gestalt ändern oder sich bewegen, basiert das auf dem kontinuierlichen Umbau der Aktin-Filamente. Die Energie für diesen Umbau liefern ATP-Moleküle, die an die Aktin-Bausteine gebunden sind und innerhalb der Filamente gespalten werden. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und ihre Kollegen vom Laboratoire d’Enzymologie et Biochimie Structurales in Frankreich die Dynamik dieser Spaltungsprozesse bestimmt, was bisher nicht möglich war. Mit Hilfe von Experimenten an einzelnen Filamenten konnten sie die räumliche Verteilung der gespaltenen ATP-Moleküle entlang der Filamente bestimmen und damit zeigen, dass die Spaltungsprozesse an den verschiedenen Aktin-Bausteinen unabhängig voneinander ablaufen.

Mikroskopische Aufnahmen (hellgrau auf schwarzem Hintergrund) zeigen wie Aktinfilamente wachsen und schrumpfen. Während der Wachstumsphase (links) werden ATP-Aktin-Bausteine (blau) in das Filament eingebaut. Diese Bausteine werden im Laufe der Zeit in ADP-Aktin (rot) gespalten. Die Geschwindigkeit des Schrumpfens (rechts) nimmt zu, da sich ADP-Aktin schneller vom Filamentende löst, als das anfänglich vorhandene ATP-Aktin. Die Farben der Uhren zeigen den Anteil an ATP-Aktin an. Aus dem beobachteten Schrumpfen lässt sich der Gang dieser Uhren bestimmen und damit der Spaltprozess verstehen.

Aktinfilamente sind ein wesentlicher Bestandteil des Zellskeletts, das der Zelle ihre äußere Form gibt, sie mechanisch stabilisiert und ihre Bewegungen sowie Transport innerhalb der Zelle ermöglicht. Diese Filamente sind sehr dünne Stangen aus einigen tausend identischen Aktin-Bausteinen. Entscheidend für viele Zellfunktionen ist die Eigenschaft der Aktinfilamente, schnell wachsen aber auch schrumpfen zu können. Funktioniert dies nicht richtig, können verschiedenste Krankheiten entstehen, etwa invasive Tumore, oder auch Muskeln-, Nieren- und Immunkrankheiten.

Deshalb ist es unter anderem für Biomediziner wichtig, die Dynamik des Aktins möglichst genau zu verstehen. Dabei helfen ihnen jetzt Physiker des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Gemeinsam mit Kollegen des Laboratoire d’Enzymologie et Biochimie Structurales in Gif-sur-Yvette bei Paris haben sie die Geschwindigkeit ermittelt, mit der Aktinfilamente schrumpfen.

Die Nukleotide Adenosintriphosphat (ATP) und Adenosindiphosphat (ADP) spielen bei diesem Vorgang eine entscheidende Rolle: In biologischen Zellen gibt es einen Überschuss an ATP, gewissermaßen dem Treibstoff der Zelle. ATP bindet an einzelne Aktine und verleiht ihnen die Fähigkeit, lange Filamente zu bilden. Neu entstandene Aktinfilamente bestehen also aus ATP-Aktin-Einheiten. Innerhalb der Filamente wird ATP im Laufe der Zeit hydrolysiert, das heißt, es spaltet einen Phospatrest ab, und übrig bleibt ADP-Aktin. Diese Hydrolyse destabilisiert die Bindung zwischen einzelnen Aktinmolekülen und somit löst sich ADP-Aktin schneller vom Filamentende ab als ATP-Aktin. Folglich schrumpfen Filamente, die aus ADP-Aktin bestehen, schneller als aus ATP-Aktinfilamente.

„Wird ein Aktin-Baustein in ein Filament eingebaut, startet dort eine innere Uhr “, sagt Thomas Niedermayer. Je weiter die Uhr fortgeschritten ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das gebundene ATP schon in ADP umgewandelt worden ist. „Um den Mechanismus der ATP-Hydrolyse in Aktinfilamenten zu verstehen, haben wir lange Filamente erzeugt und gemessen, mit welcher Geschwindigkeit sie schrumpfen“, so Niedermayer. Es zeigte sich, dass sie dies anfangs langsam tun, dann aber immer schneller. Das wird verständlich, wenn man bedenkt, dass die zuerst abgebauten Aktin-Bausteine nur kurz im Filament eingebaut waren. Zu dem Zeitpunkt an dem sie sich wieder am Filamentende befinden, war ihre Uhr also noch nicht so weit fortgeschritten. Daher löst sich anfangs hauptsächlich ATP-Aktin später jedoch ADP-Aktin vom Filamentende ab.

„Aus dem zeitlichen Verlauf der Abbaugeschwindigkeit konnten wir auf die räumliche Verteilung von ATP- und ADP-Aktin innerhalb des Filaments und damit auf den Mechanismus der Hydrolyse schließen“, sagt Thomas Niedermayer. Es zeigte sich, dass die ATP Hydrolyse an allen Bausteinen innerhalb des Filaments mit der gleichen Rate stattfindet. Die innere Uhr tickt also überall gleich schnell, oder anders ausgedrückt: das Filament altert gleichmäßig. Damit wiederlegt das deutsch-französische Forscherteam eine alte Vermutung, die behauptet, ein ATP-Aktin könne sein ATP nur hydrolysieren, wenn es neben einem ADP-Aktin sitzt. So würde eine scharfe Grenze zwischen ATP- und ADP-Aktin entstehen und die Abbaugeschwindigkeit würde sich nicht allmählich erhöhen, sondern plötzlich.

Die Verteilung von ATP- und ADP-Aktin bestimmt außerdem die mechanischen Eigenschaften des Filaments und ist entscheidend dafür, an welcher Stelle andere Proteine an das Filament binden können. Denn diese Proteine, die unter anderem das Brechen und Verzweigen der Filamente regulieren, binden verschieden stark an die zwei Aktin-Spezies. Solche, die Aktinfilamente auseinanderbrechen lassen, binden bevorzugt an ADP-Aktin, also an ältere Filamente. Andere, die ein Verzweigen der Filamente verursachen, binden eher an ATP-Aktin.

Die Kombination aus dynamischer Längenmessung der Filamente und mathematischem Modell nutzten die Forscher auch, um die Rolle des Proteins Profilin aufzuklären. Dabei stellten sie fest, dass Profilin den Abbau sowohl von ATP- als auch von ADP-Aktin am Ende des Aktinfilaments beschleunigt. Die Umwandlungsrate von ATP- in ADP bleibt von dem Protein jedoch unbeeinflusst. Außerdem fanden die Forscher heraus, dass der Aufbau von Filamenten aus Profilin-Aktin-Komplexen keine direkte Wirkung auf die Hydrolyse hat, das heißt, die Verteilung von ATP und ADP im Filament ändert sich nicht. „Auf ähnlich Weise lässt sich auch die Wirkung anderer Proteine untersuchen“, sagt Thomas Niedermayer. Dem wollen sich die Forscher in ihren nächsten Arbeiten widmen.

LK / PH

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