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Zellbiologie: Wie 'Fallen' Fusionen fördern

Bei der Ausschüttung von Hormonen und der Signal-übermittlung zwischen Nervenzellen spielt die Verschmelzung von Membranen eine zentrale Rolle. Die komplizierte Steuerung solcher Fusionen wurde jetzt im Prinzip geklärt.


Membranen hüllen die Zelle ein und begrenzen bei höheren Lebewesen jene zellinternen Unterabteilungen (Organellen), die jeweils eine spezielle Funktion ausüben – wie der Zellkern als Speicher der Erbinformation. Diese Aufteilung ähnelt in gewisser Weise der eines Hauses, wo Küche, Bad, Schlafzimmer und so weiter auch jeweils einem besonderen Zweck dienen und durch Mauern getrennt sind. Die Membranen der Zelle fungieren jedoch nicht nur als Trennwände – sie können bei Bedarf auch sehr biegsam sein und in Sekundenbruchteilen sogar innen und außen vertauschen.

Das geschieht zum Beispiel an Synapsen, den Schaltstellen zwischen Neuronen. Wenn dort ein Botenstoff (Neurotransmitter) ausgeschüttet wird, der ein Signal an die nächste Nervenzelle übermitteln soll, dauert das nur wenige Millisekunden. Diese enorme Geschwindigkeit ist deshalb möglich, weil ein Membranbläschen (eine Vesikel), das mit dem Botenstoff gefüllt ist, einfach mit der Zellmembran verschmilzt und dabei seinen Inhalt nach außen entlässt.

Zelluläre Türsteher

Auf ähnliche Weise werden auch Hormone freigesetzt und viele Stoffe innerhalb der Zelle von einem "Zimmer" ins andere geschleust. Damit die richtigen Moleküle an den richtigen Ort kommen, muss allerdings gewährleistet sein, dass nur bestimmte Bläschen mit ganz bestimmten Membranen verschmelzen können. Wie die Zelle das bewerkstelligt, lag Jahrzehnte lang völlig im Dunkeln.

Erst 1993 entdeckte die Arbeitsgruppe von Thomas Söllner und James Rothman am Memorial Sloan-Kettering Cancer Center in New York eine Gruppe von Proteinen, welche die Transportprozesse zwischen den Abteilungen einer Zelle dirigieren. Der Name, den sie erhielten, ist ein Akronym, dessen Auflösung dem Laien nichts sagt, da es lediglich zu einem halben Dutzend ebenso kryptischer Abkürzungen führt. Allerdings lässt er sich auch als verständliches englisches Wort lesen: Snares. Seine deutsche Übersetzung lautet Falle, und die US-Forscher mögen bei der Namensgebung daran gedacht haben, dass diese Proteine ihr jeweiliges Gegenstück wie mit einer Falle einfangen.

Wie sich herausstellte, verfügen Bläschen und Zielmembranen jeweils über eigene Snares, die sich im Reagenzglas spezifisch zusammenlagern können. Daraus schlossen die Forscher, dass das v-Snare einer Vesikel quasi als Schlüssel fungiert, der nur ein passendes t-Snare-Schloss (nach englisch target) auf der richtigen Zielmembran zu öffnen vermag. In der Folge stellte sich heraus, dass v-Snares üblicherweise alleine, t-Snares hingegen zu dritt auftreten (wobei ein t-Snare genau genommen ein Protein-Fertigbaustein ist, der sowohl als Teil eines größeren Eiweißstoffs als auch allein auftreten kann).

Die Schlüssel-Schloss-Hypothese von Söllner und Rothman war insofern attraktiv, als sie einen nachprüfbaren molekularen Mechanismus für die vorher rätselhafte Spezifität der Membranfusion postulierte. Doch sie ließ sich nur mühsam beweisen. Höhere Lebewesen besitzen meist eine verwirrende Vielfalt von Snares. Dass der Snare-Typus einer Vesikel festlegt, mit welcher Zielmembran sie verschmelzen darf, lässt sich nur auf eine Weise zeigen: Indem man zahlreiche Kombinationen von Schlüsseln und Schlössern durchprobiert.

Suche nach dem passenden Schlüssel

Dies gelang ansatzweise vor etwa einem Jahr. Damals ermöglichte es die komplette Entzifferung des Erbguts der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae, alle Snare-Varianten dieses Organismus zu identifizieren und getrennt zu produzieren. Sie ließen sich, wie sich zeigte, vier strukturell verschiedenen Familien zuordnen, die auch in der Gensequenz deutlich voneinander abweichen. Diese Einteilung ist unabhängig von der Unterscheidung zwischen v- und t-Snares – beide Arten kommen in allen vier Familien vor.

Rothman und Mitarbeiter wählten nun eine Stichprobe von drei Schlössern (Triplets aus t-Snares, die sich in Membranen der Hefezelle finden) und probierten an diesen alle elf in der Hefe vorhandenen Schlüssel (v-Snares) durch. Dazu bauten sie beide Teile in getrennten Vesikeln ein; zur Vereinfachung des Versuchs verwendeten sie also auch für die Zielmembran ein Bläschen. Indem sie die Vesikeln mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen füllten, konnten sie die Verschmelzung der Bläschen anhand der Vermischung der Farben leicht verfolgen.

Das Ergebnis war bemerkenswert: Eine Vermischung fand nur statt, wenn ein Quartett von Snares zusammenkam, das genau einen Vertreter aus jeder der vier bekannten Familien enthielt. Dies erklärt auf einfache Weise, warum ausschließlich bestimmte Kombinationen von Membranen miteinander verschmelzen können.

Offen blieb jedoch, wie der Schlüssel das Schloss entriegelt und welche Details in der Struktur für die Passung wichtig sind. Immerhin gab es einen ersten Anhaltspunkt. Schon 1998 hatte das Team von Axel Brunger an der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) die Kristallstruktur eines vollständigen Snare-Quartetts durch Röntgenbeugung ermittelt; sie zeigt vier schraubenartig gewundene Helices, die sich ihrerseits umeinander winden. Diese "Coiled-Coil" entsteht anscheinend nur, wenn genau vier verschiedene Snares – je eines aus jeder der vier Familien – zusammenkommen.

Dieselbe Arbeitsgruppe ermittelte 1999 mit dem spektroskopischen Verfahren der kernmagnetischen Resonanz ein weiteres Detail: Danach liegen zumindest einige derjenigen Molekülbereiche, die letztendlich die Superschraube bilden, in den getrennten Einzelproteinen noch als bewegliche Schlaufen ohne feste Struktur vor. Dieser Hang zur Unordnung ist vermutlich auch der Grund, warum nur vom Gesamtkomplex, nicht aber von den Vorläufern Kristalle gezüchtet werden konnten. Kristalle bilden die Voraussetzung für eine Strukturanalyse mittels Röntgenbeugung.

Ersatzweise griff deshalb das Team von Yeon-Kyun Shin an der Iowa State University in Ames auf die Elektronenspinresonanz zurück, die sich ähnlich wie die kernmagnetische Resonanz zur Untersuchung der Beweglichkeit von Molekülteilen eignet. Es untersuchte mit diesem Verfahren den neuronalen t-Snare-Komplex, das heißt das in der Zellmembran an der Synapse vorhandene Schloss ohne Schlüssel (Nature Structural Biology, Bd. 8, S. 308).

Dabei zeigte sich, dass zwar wesentliche Teile der Helices im Gesamtquartett auch schon in dem Triplett auftauchen, andere Bereiche des Moleküls aber immer noch ungeordnet sind. Es steht also zu vermuten, dass diese Bereiche sich erst im Zuge der Begegnung mit dem v-Snare-Protein zu einer geordneten Raumstruktur arrangieren. Mit anderen Worten ist anscheinend der vereinte Informationsgehalt der beiden Proteinketten erforderlich, damit das Gebilde eine wohldefinierte Gestalt annimmt.

Ähnliche Beobachtungen wurden in dem letzten zehn Jahren auch für viele andere Proteine gemacht, die ebenfalls ganz oder teilweise ungeordnet sind, bis sie an ihr Gegenstück andocken. Dies kann zu sehr starken Bindungen führen, wenn sich die beiden Moleküle bei dieser nachträglichen Faltung ineinander verschlingen.

Noch sind damit aber nicht alle Fragen zur Membranfusion beantwortet. So ist zum Beispiel die genannte Quartettregel zwar notwendig, aber keineswegs hinreichend für das Zustandekommen der Fusion. An der Steuerung dieses für alle höheren Lebewesen überlebenswichtigen Vorgangs sind also offenbar weitere Faktoren beteiligt. Die Suche danach wird die Zellbiologen noch eine Weile beschäftigen. Aber eines scheint jetzt schon klar: So einfach, wie wir zu Hause von einem Zimmer ins andere gelangen, ist es für die Inhaltsstoffe der Zelle nicht, den Aufenthaltsraum zu wechseln.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2001, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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