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Sich teilende Krebszelle.

Legosteine der Zellteilung

Bestimmte Elemente in menschlichen Zellen garantieren während der Zellteilung, dass die Erbsubstanz richtig auf die Tochterzellen aufgeteilt wird. Die molekularen Bausteine dieser Zellbestandteile gleichen Legosteinen und ihr Zusammenspiel ähnelt dem Prinzip erdbebensicherer Architektur japanischer Bauten.

ÖAW Young Science 02.07.2012

Der Biochemiker Florian Schmitzberger erklärt in einem Gastbeitrag, welche Rolle die Struktur dieser molekularen Legosteine in der Zelle hat und wie sie entschlüsselt werden kann.

Architektur und Evolution des Kinetochors

Von Florian Schmitzberger

Porträt Florian Schmitzberger

privat

Zur Person:
Florian Schmitzberger, Jahrgang 1978, nach dem Studium der Chemie an der Universität Wien, Doktorat in Biochemie an der Universität Cambridge (England), Forschungsaufenthalt am Karolinska Institut (Stockholm, Schweden), forscht derzeit an der Abteilung Biological Chemistry and Molecular Pharmacology, Harvard Medical School (Boston, USA). Sein Projekt zu einer der Proteinuntereinheiten des Kinetochors der Backhefe ist Teil des Schwerpunkts zur Erforschung von Mechanismen und der molekularen Architektur des Hefekinetochors unter der Leitung von Stephen Harrison. Schmitzbergers Arbeit wird über ein APART-Stipendium der Österreichischen Akademie der Wissenschaften finanziert. Er ist einer der diesjährigen Theodor-Körner-Preisträger.

Die Zellteilung ist ein lebenswichtiger Vorgang in zellulären biologischen Organismen. Sie dient der Fortpflanzung, der Regeneration und der Entwicklung spezialisierter Zelltypen. Während der Zellteilung formiert sich normalerweise in bestimmten Regionen der Erbsubstanz, der DNS, an jedem der bereits verdoppelten Chromosomen, das Kinetochor.

Kinetochore sind molekulare Verbindungen, die die Trennung der Erbinformation während der Zellteilung gewährleisten. Das Wissen um Proteinstrukturen des Kinetochors verbessert unser Verständnis seiner Funktionsweise. Die Strukturen zeigen, dass sich das Kinetochor aus einigen wenigen Proteinbausteinen zusammensetzt.

Das Kinetochor in der Zellteilung

Das Kinetochor ist die Kontaktfläche zwischen Chromosomen und den Mikrotubulen, molekularen Seilen, mittels derer die Schwesterchromosomen getrennt und in die neuentstehenden Tochterzellen bewegt werden. Schließlich stellen die so separierten Chromosomen die genetische Grundlage für die geteilten Zellen dar.

Ein menschlicher Körper, mit Billionen von Zellen, erfährt in seiner Lebenszeit bis zu 10.000 Trillionen Zellteilungen. Abweichungen vom üblichen Vorgang des Prozesses können zu Genommutationen und Krankheiten führen. Beispielsweise wird das Down Syndrom dadurch verursacht, dass eines der 23 menschlichen Chromosomen in einer Zelle in drei - anstatt den üblicherweise zwei - Kopien vorliegt.

Grafik einer Zellteiung, Aufteilung der Chromosomen.

Schmitzberger

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Zellteilung (zur Vereinfachung sind nur vier Chromosomen und acht Mikrotubulen gezeigt).

Solche numerischen Anomalien in der Chromosomenanzahl (Aneuploidie) sind auch charakteristisch für Tumorzellen. Fehler entstehen, wenn die Chromosomen bei der Zellteilung nicht richtig auf die Tochterzellen aufgeteilt werden. Dabei spielt das Kinetochor eine entscheidende Rolle und deshalb ist die Untersuchung der genauen Funktionsweise des Kinetochors für die Medizin von hoher Relevanz.

Organisation des Kinetochors

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Die Erforschung der Kinetochore stellt eine Herausforderung für die Molekularbiologie dar. Das ist auf die große Anzahl an unterschiedlichen Kinetochorproteinen (60 bis 100) und deren anscheinend verwobenen Organisation zurückzuführen.

Das Kinetochor der Backhefe, eines Modellorganismus für die Erforschung des Zellzyklus, ist bisher am besten charakterisiert. Kinetochore von Hefe und Menschen weisen generelle Gemeinsamkeiten in ihrer Organisation auf, womit Erkenntnisse übertragbar sind. Das Hefekinetochor setzt sich aus stabilen Proteinuntereinheiten zusammen. Dadurch kann der Forschungsansatz, entsprechend der Maxime “divide et impera”, über die individuelle Untersuchung dieser Untereinheiten, anstatt des gesamten Kinetochors, im Reagenzglas vereinfacht werden.

Molekulare Forschung

Literaturverweise:

1) RWD domain: a recurring module in kinetochore architecture shown by a Ctf19-Mcm21 complex structure. Schmitzberger F. & Harrison SC.; EMBO Reports 2012 Mar 1;13(3):216-22.
Unser Artikel wurde als Forschungshighlight in Nature Chemical Biology erwähnt:
Kinetochores ReWinD. Chalkiadaki A.; Nature Chemical Biology 8, 321 (2012).

2) Structure of human Mad1 C-terminal domain reveals its involvement in kinetochore targeting. Kim S., Sun H., Tomchick DR., Yu H., Luo X.; Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2012 Apr 24;109(17):6549-54.

3) Hierarchical assembly of the budding yeast kinetochore from multiple subcomplexes. De Wulf P, McAinsh AD, Sorger PK. Genes and Development. 2003 Dec 1;17(23):2902-21.

4) The monopolin complex crosslinks kinetochore components to regulate chromosome-microtubule attachments. Corbett KD, Yip CK, Ee LS, Walz T, Amon A, Harrison SC. Cell. 2010 Aug 20;142(4):556-67.

Unsere Arbeitsgruppe ist daran interessiert, wie sich das Kinetochor aus den einzelnen Proteinen zusammensetzt, wie es stabile Bindungen eingeht, dabei gleichzeitig flexibel bleibt und wie es Änderungen, die während der Chromosomentrennung erfolgen, in seinem Gefüge unterbringt. Ziel ist, die molekulare Struktur der Proteine, die Kontakte und die Bindungsstärke in den Proteinuntereinheiten des Kinetochors zu bestimmen.

Für ein 3-D-Abbild der Proteine mit Subnanometer-Auflösung setzen wir Röntgenstrukturaufklärung als Visualisierungsverfahren ein. Dazu werden Kristalle (in Mikrometer Grösse) von den Proteinproben gezüchtet. Diese werden hochintensiver Röntgenstrahlung an Elektronenteilchenbeschleunigern ausgesetzt und es werden Diffraktionsmuster gemessen, von denen die Strukturen EDV-unterstützt berechnet werden.

Proteinstrukturen

Wir bestimmten die 3-D-Struktur einer aus zwei Proteinen zusammengesetzten Kinetochoruntereinheit. Beide Proteine falten sich in einen kompakten Teil, über den sie eng miteinander verbunden sind. Zwei Genmutationen, die jeweils eine einzelne Aminosäurenänderung in einem der Proteine hervorrufen, verursachen starke Anomalien in der Chromosomentrennung. Den spezifischen, funktionellen Effekt konnte man jedoch ohne Wissen um die Struktur der Proteine nicht wirklich verstehen.

Mit unserer Analyse der Struktur der Proteine lokalisierten wir die genaue Position der Mutationen im Protein. Beide fallen an einen Ort, der für die Proteinfaltung wichtig ist, und an dem die beiden Proteine in Kontakt stehen. Zudem identifizierten wir Oberflächenbereiche in den Proteinen, die wichtige Verbindungsstellen mit anderen Kinetochorproteinen sind.

Lego im Kinetochor

Zu unserer Überraschung sehen sich die kompakten Teile der beiden Proteine sehr ähnlich. Dies war mit dem Wissen der chemischen Struktur, der Aminosäurensequenz, nicht vorherzusehen. Beide kompakten Teile bestehen aus jeweils zwei Kopien des gleichen Protein-"Legobausteins" (K-Lego; Abbildung 2).

Schema der Proteinstruktur der "Legosteine" im Konetochor.

Schmitzberger

Abbildung 2: Beispiel einer molekularen 3-D Proteinstruktur im Kinetochor. Je zwei K-Legos sind mit einem L-Lego verbunden. (Mehr dazu in Literaturverweis 4).

Wir zeigten, dass dieser Legostein, jeweils leicht modifiziert, in vier weiteren, funktionell unterschiedlichen Kinetochorproteinen, von denen wir heute die Struktur kennen, vorkommt. Interessanterweise ist es nicht nur der gleiche Legostein, sondern er ist auch ähnlich zusammengesteckt. Er bildet ein Doppel-Lego, welches als Verbindungsstelle mit anderen Proteinen fungiert.

Kinetochor und japanische Architektur

Ein weiterer Legostein, der sich in der Struktur vieler Kinetochorproteine wiederfindet, ist ein langgestreckter Doppelspiralenstrang, der einer gewundenen Schraube ähnlich sieht (L-Lego). Wir nehmen an, dass im Kinetochor generell die kompakten Legosteine wichtige Kontaktpunkte herstellen, während die langgestreckten Legos Flexibilität ermöglichen und grössere Entfernungen zwischen diesen Kontaktpunkten überbrücken. Tatsächlich finden sich die kompakten Legosteine oft an den Enden der langgestreckten Legosteine. Daher basiert die Organisation des Kinetochors auf einfachen Bauprinzipien. Bisher hat man kompliziertere vermutet.

Dazu lassen sich Parallelen in der Architektur finden, beispielsweise in der japanischen Bauweise. Um Erdstößen standzuhalten und nicht auseinanderzufallen, sind die Gebäude so entworfen, dass sie sowohl flexibel sind, als auch stabile, interne Verbindungen aufweisen. Die Mediathek in Sendai illustriert dies gut: Elastische Säulen sind fest mit Deckenelementen verbunden.

Evolution durch Multiplikation

Das Vorkommen des kompakten Legosteins in mindestens sechs Kinetochorproteinen bedeutet, dass sich das Kinetochor durch Multiplikation eines Vorfahrengens für diesen Legostein entwickelt hat. Dieses Prinzip hat schon Charles Darwin erkannt: Biologische Entwicklung schreitet durch Kopie existierender Konzepte und deren Veränderung voran (“Nature is prodigal in variety, but niggard in innovation”).

Dies ist relevant, wenn man die Struktur von Proteinen bestimmen will. Dafür gibt es zwei Wege: experimentell, indem direkt die Struktur ermittelt wird, wie in diesem Artikel beschrieben, oder theoretisch, indem sie basierend auf der chemischen Zusammensetzung der Proteine, ihrer Aminosäurensequenz und deren Ähnlichkeit mit anderen Proteinen rechnerisch vorhergesagt wird.

Die Analogie der Strukturen der oben beschriebenen Kinetochorproteinen bestätigt die allgemein gültige Beobachtung, dass in Proteinen die Faltstrukturen der Moleküle meistens eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, evolutionär ähnlich zu bleiben, als die Aminosäurensequenz. Deshalb liefert die experimentelle Strukturbestimmung exaktere Ergebnisse und ist bisher nicht durch theoretische Strukturvorhersagen zu ersetzen.

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