Das Zytoskelett – ein plastisches Korsett für die Zelle

Das Zytoskelett ist für die Form der Zellen, für die Bewegung, für Materialtransport, für Zellteilung und Zelldifferenzierung verantwortlich. Es besteht aus drei Fasersystemen: den Aktinfilamenten, den Intermediärfilamenten und den Mikrotubuli. Diese Fasern können sich aus Protein-Untereinheiten selbständig auf- und wieder abbauen, d. h. sie sind dynamisch und haben die Fähigkeit der „Selbstorganisation“. Hinzu kommen zahlreiche Proteine, die an die Fasern andocken, Fasern miteinander verbinden oder Verbindungen mit anderen Zellkomponenten, z. B. der äußeren Zellmembran oder der Kernmembran, herstellen können. Eine wichtige Klasse dieser assoziierten Proteine sind die „Motorproteine“. Sie können chemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) in mechanische Energie umwandeln und dadurch Lasten transportieren. Die Mikrotubuli werden durch verschiedene „Mikrotubuli-assoziierte Proteine“ (MAP) stabilisiert. Ein bekanntes Beispiel für das Zusammenspiel verschiedener Zytoskelett-Proteine ist die Zellteilung; dabei bilden Mikrotubuli einen Spindelapparat aus, der die Chromosomen mithilfe von Motorproteinen auseinanderziehen kann. Bei den Nervenzellen stellen Mikrotubuli die „Gleise“ für den Transport in den Zellfortsätzen (Axone, Dendriten) dar, wo Lasten über weite Entfernungen zu den Nervenendigungen (Synapsen) geliefert werden müssen.

Diese Vorgänge lassen sich im Reagenzglas oder in Zellmodellen nachstellen und untersuchen. Der Schwerpunkt der Arbeiten der Abteilung „Zytoskelett“ lag auf der Untersuchung der Selbstorganisation der Mikrotubuli, der Struktur Mikrotubuli-abhängiger Motorproteine, dem Mikrotubuli-assoziierten Tau-Protein und seiner Rolle in der Alzheimer-Krankheit. Dabei wurden biochemische, molekular- und zell-biologische sowie biophysikalische Methoden kombiniert. Die Intensität der Synchrotronstrahlung erlaubt es, Wachstum und Zerfall von Mikrotubuli in Echtzeit durch Beugung des Röntgenlichts zu verfolgen, Röntgenbilder von sehr kleinen Proben von Alzheimer-Fasern aufzunehmen oder die Struktur von kristallisierten Proteinen mit hoher Auflösung zu bestimmen. Die Proteine wurden teils aus Zellgewebe isoliert, teils rekombinant in Bakterienkulturen hergestellt, was die Überprüfung ihrer Funktion durch gezielte Mutationen ermöglicht. Durch Ankoppeln von fluoreszierenden Molekülen und Einschleusen in Nervenzellen wurde die Verteilung und die Funktion Mikrotubuli-assoziierter Proteine in situ in lebenden Zellen untersucht.

Motorproteine für den Transport in Zellen

Motorproteine der Kinesin-Klasse bestehen häufig aus zwei schweren und zwei leichten Polypeptidketten. Die Motordomänen der schweren Ketten binden an die Oberfläche der Mikrotubuli und wandeln chemische Energie in Form energiereicher Moleküle (ATP) in gerichtete Bewegung um. Obwohl die Moleküle nur wenige Nanometer Durchmesser haben, kann man die Bewegung mithilfe der Videomikroskopie in Echtzeit sichtbar machen. Aus der Kombination hochauflösender Röntgenstrukturanalyse einzelner Motordomänen mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen des Kinesin-Mikrotubuli-Komplexes zeichnet sich folgendes Modell für den Bewegungsmechanismus ab: Konventionelles Kinesin hangelt sich an Mikrotubuli entlang, indem die beiden Motordomänen abwechselnd an den Mikrotubulus binden und sich wieder ablösen, wobei zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Motordomäne gebunden ist. Dieser „Hand-über-Hand“- Mechanismus ist für Kinesin durch kinetische und spektroskopische Messungen gut belegt [1]. Daneben gibt es aber auch Kinesine, wie zum Beispiel die monomeren Kinesine der Kif1A-Familie, die andere, im Einzelnen noch nicht geklärte Mechanismen zur Fortbewegung benutzen. Das Kif1A-ähnliche NcKin3 aus Pilzen (Abb. 1) zeichnet sich z. B. dadurch aus, dass es zwar als Dimer (also mit zwei Motordomänen) auftritt, bei der Bewegung aber bleibt eine der Motordomänen scheinbar unbeteiligt.

Tau-Protein – Verklumpung im Gehirn bei der Alzheimerkrankheit

Das sog. Tau-Protein, das die Mikrotubuli in Nervenzellen stabilisieren soll, kann sich bei der Alzheimer-Demenz krankhaft verändern. Die Folge ist, dass das Zytoskelett zusammenbricht, sodass das Tau-Protein zu unlöslichen Fasern verklumpt. Es bilden sich die „paarigen helikalen Filamente“ der Alzheimer-Krankheit, die die Nervenzellen verstopfen und sie absterben lassen [2].

An sich ist Tau-Protein sehr gut löslich. Die einzelnen Tau-Moleküle sind in Lösung „nativ entfaltet“, das heißt weitgehend unstrukturiert und flexibel (Abb. 2). Der eigentliche Auslöser der pathologischen Aggregation von Tau-Protein ist noch unbekannt, aber es konnten in den letzten Jahren einige strukturelle Eigenschaften der anomalen Tau-Fasern aufgeklärt werden [3;4].

Tau und intrazellulärer Verkehrsstau

Auf der Suche nach Faktoren, die für das Absterben von Nervenzellen in der Alzheimer-Krankheit verantwortlich sein könnten, stößt man schnell auf Störungen im zellulären Transportsystem. Einer der Faktoren ist möglicherweise, dass das Tau-Protein nicht nur Mikrotubuli (die Gleise des Transports) stabil hält, sondern sie auch „verklebt“ und damit unbrauchbar machen kann [5; 6]. Das Ergebnis ist, dass die Transportvorgänge gestört werden, sodass die äußeren Bereiche der Zelle unterversorgt bleiben (Abb. 3). In der Nervenzelle wird das Transportsystem durch Proteinkinasen reguliert, die mehrere funktionelle Domänen besitzen und so die Wechselwirkungen von verschiedenen Proteinen des Zytoskeletts beeinflussen [6; 7].

Im gesunden Zustand der Zelle sind die Mitochondrien, die Kraftwerke der Zelle, überall im Zellkörper und in den langen Zellfortsätzen verteilt, sodass die Zelle gleichmäßig mit Energie versorgt wird. Wenn aber eine Fehlfunktion des Tau-Proteins die Transportwege beeinträchtigt, können die Zellorganellen und Transportvesikel nicht mehr in die Zellfortsätze einwandern, sondern bleiben im Zellkörper liegen [8]. Das führt zu einer Unterversorgung der Zellfortsätze, zum Absterben der Synapsen (Abb. 3) und schließlich zum Tod der ganzen Nervenzelle [5].

Suche nach Wirkstoffen gegen die Tau-Aggregation

Die klinischen Stadien der Alzheimer-Erkrankung korrelieren eng mit der Verteilung von verklumptem Tau-Protein in den sog. „Neurofibrillenbündeln“. Ein Ansatz der Alzheimer-Forschung besteht deswegen darin, Wirkstoffe zu finden, die die Aggregation des Proteins verhindern oder rückgängig machen, um auf diese Weise die Degeneration von Nervenzellen zu verhindern [9; 10]. Auf der Suche nach solchen Substanzen wurden Testverfahren entwickelt und eine Bibliothek von 200.000 Substanzen überprüft. Abbildung 4 zeigt, dass solche Substanzen tatsächlich die erwartete Wirkung zeigen können, nicht nur als Hemmstoff in vitro (rechts), sondern auch in Zellen (links). Aufgrund der gefundenen Ausgangssubstanzen wird nun versucht, ihre Wirksamkeit durch chemische Modifikation zu erhöhen.