Das Zytoskelett ist für die Form der Zellen und ihre Bewegung, für Materialtransport, Zellteilung und Zelldifferenzierung verantwortlich. Es besteht aus drei Fasersystemen: den Aktinfilamenten, den Intermediärfilamenten und den Mikrotubuli. Diese Fasern können sich aus Protein-Untereinheiten selbstständig auf- und wieder abbauen, das heißt sie sind dynamisch und haben die Fähigkeit der „Selbstorganisation“. Hinzu kommen zahlreiche Proteine, die an die Fasern andocken, sie miteinander verbinden oder Verbindungen mit anderen Zellkomponenten, zum Beispiel 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 oder verschieben. 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 Max-Planck-Arbeitsgruppe „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, molekularbiologische, zellbiologische und 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 Motorproteinen 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 untersuchten die Wissenschaftler die Verteilung und die Funktion Mikrotubuli-assoziierter Proteine in situ in lebenden Zellen.

Struktur und Dynamik der Mikrotubuli

Mikrotubuli bilden ein dynamisches Korsett, das sich ständig den wechselnden Anforderungen der Zelle anpasst. Das Nebeneinander von Auf- und Abbau der Mikrotubuli ist typisch für den Zustand von Zellen zwischen zwei Teilungen (Abb. 1). Es ist aber auch möglich, alle Mikrotubuli in einer Lösung zu synchronisieren, sodass sie gleichzeitig zwischen Phasen des Wachstums und des Zerfalls hin- und herschwingen. Dies stellt einen biochemischen Oszillator dar, der durch den Verbrauch von energiereichen Phosphatverbindungen (Guanosintriphosphat) in Schwung gehalten wird. In lebenden Zellen werden solche Strukturumwandlungen häufig durch chemische Signalübertragungsketten reguliert. Wenn Tau, ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein, abgelöst wird (indem eine Phosphatgruppe übertragen wird), werden die Mikrotubuli instabil und zerfallen. Die Protein-Kinase MARK (MAP/Microtubule Affinity Regulating Kinase), die diesen Übergang einleitet, besitzt in manchen pathologischen Zuständen der Zelle eine erhöhte Aktivität.

Struktur und Funktion des Motorproteins Kinesin

Das so genannte „konventionelle Kinesin“, der Hauptvertreter der Kinesine, besteht aus zwei schweren und zwei leichten Peptidketten. Jede der beiden schweren Ketten hat eine etwa 350 Aminosäuren umfassende globuläre „Motordomäne“ (Abb. 2, links unten). Diese Motordomänen 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 (Abb. 2, links unten). Dazu bringt man einen „Rasen“ von Motorproteinen auf einem Mikroskopierglas auf und lässt einen Mikrotubulus (violett) darübergleiten, oder man belädt ein Vesikel (rosa) mit einem Motor und lässt es am Mikrotubulus in Pfeilrichtung entlangwandern.

Entsprechend ihrer grundlegenden Funktion für die „Infrastruktur“ der Zelle spielen Proteine des Zytoskeletts bei verschiedenen Krankheitsprozessen eine Rolle [1]. So besteht die Krebs-Krankheit aus einer unkontrollierten Teilung von Zellen. Die Wirkung einiger Zytostatika beruht darauf, die Mikrotubuli oder Motorproteine der Teilungsspindel zu vergiften, sodass sich die Krebszellen nicht mehr teilen können.

Anomale Aggregation des Tau-Proteins

Krankhafte Veränderungen des Tau-Proteins spielen unter anderem bei der Alzheimer-Demenz eine Rolle, weil dort das Zytoskelett zusammenbricht, sodass das Tau-Protein zu unlöslichen Fasern verklumpt [2]. Es bilden sich die „paarigen helikalen Filamente“ der Alzheimerkrankheit, die die Nervenzellen verstopfen und sie absterben lassen.

Die „paarigen helikalen Filamente“ bestehen weitgehend aus dem Tau-Protein, das seine normale Funktion der Stabilisierung der Mikrotubuli-Transportschienen verloren hat. Der eigentliche Auslöser der pathologischen Entartung von Tau-Protein ist noch unbekannt, aber es konnten in den letzten Jahren einige strukturelle Eigenschaften der anomalen Tau-Fasern aufgeklärt werden (Abb. 3) und es ist inzwischen möglich, die Umwandlung von normalem zu pathologischem Tau-Protein im Reagenzglas zu vollziehen [3]. Damit kann der molekulare Prozess systematisch untersucht werden und die Forscher können jetzt gezielt nach Substanzen suchen, die die Entartung von Tau-Protein aufhalten oder rückgängig machen.

Einfluss des Tau-Proteins auf das zelluläre Transportsystem

Die Suche nach Bedingungen, die für das allmähliche Absterben von Nervenzellen in der Alzheimerkrankheit verantwortlich sein könnten, führt unter anderem auf einen Defekt im zellulären Transportsystem hin. Es scheint, dass das Tau-Protein nicht nur Mikrotubuli (die Gleise des Transports) stabil hält, sondern sie auch „verklebt“ und damit unbrauchbar machen kann [4]. Das Ergebnis ist, dass die vom Zellinneren nach außen gerichteten Transportvorgänge gestört werden, sodass die äußeren Bereiche der Zelle unterversorgt bleiben (Abb. 4).

Wird das Transportsystem durch eine Fehlfunktion des Tau-Proteins beeinträchtigt, dann können die Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zelle, nicht mehr in die Zellfortsätze einwandern, sondern bleiben im Zellkörper liegen. Besonders deutlich wird dies bei Nervenzellen (Abb. 4, kleines Bild). Im normalen Zustand sind die Mitochondrien überall im Zellkörper und in den langen Zellfortsätzen verteilt, sodass die Zelle gleichmäßig mit Energie versorgt wird. Bei Störung des Transportsystems durch eine Fehlfunktion des Tau-Proteins bleiben die Mitochondrien im Zellkörper liegen, was zu einer Unterversorgung der Zellfortsätze, zum Absterben der Synapsen und schließlich zum Tod der ganzen Nervenzelle führt.