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Posted: March 10, 2009

Poren-tiefe Entdeckung

(Nanowerk News) Sie sehen aus wie kleine Fässer und es gibt sie tausendfach in fast jeder Zelle: Vault-Partikel. Obwohl sie schon vor rund dreißig Jahren beschrieben wurden, war ihre Funktion bislang unbekannt. Einem Forschungsteam der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, das Rätsel um die Vaults zu lösen.
Ihre Form ist eindeutig: Wie ein Mini-Sarkophag, eine Nanokapsel oder eben wie das Tonnengewölbe mittelalterlicher Kathedralen sehen sie aus - die Eiweißkomplexe, die in Zellen in großer Zahl zu finden sind. Vault-Partikel oder kurz Vaults nennt man sie deshalb in der einschlägigen Literatur, abgeleitet von dem englischen "Vault" für "Gewölbe".
Ihre Funktion war bislang unklar. Erst jetzt ist es der Würzburger Professorin Marie-Christine Dabauvalle von der Abteilung für Elektronenmikroskopie am Biozentrum gelungen, mit Unterstützung von Forschern des Rudolf-Virchow-Zentrums aufzudecken, welche Aufgaben Vaults in den Zellen übernehmen. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen konnten, spielen Vaults eine wichtige Rolle, wenn sich Zellen teilen und Tochterzellen ihre neue Gestalt annehmen.
Ein
Ein "synthetischer" Zellkern (blau), angefärbt mit Antikörpern gegen Vaults (grün) und Kernporen (rot). (Fotos: Christian Hacker)
Kommunikation über die Kernporen
Zellkerne sind von einer doppelten Membran umgeben, der Kernhülle. In ihrem Inneren liegt das Erbgut - die DNA; außen, im so genannten Zytoplasma, befinden sich alle anderen für den Stoffwechsel der Zelle wichtigen Substanzen. Um den Stoff- und Informationsaustausch zwischen dem Kern als dem genetischen Steuerzentrum und dem Zytoplasma zu gewährleisten, ist die Kernhülle von zahlreichen Kanälen, den Kernporenkomplexen, durchbohrt. Bei einer menschlichen Zelle finden sich rund 3000 von ihnen.
Nach jeder Zellteilung müssen die Tochterzellen wachsen und alle Zellbestandteile verdoppeln, bevor sie sich selbst wieder teilen können. So wächst auch der Zellkern, und die Zahl der Kernporen verdoppelt sich. Wie diese Poren in die bestehende Doppelmembran der Kernhülle eingefügt werden, ist ein kaum verstandener Prozess. "Zunächst müssen die beiden Kernmembranen punktartig miteinander fusionieren, um einen Membrankanal zu bilden", erklärt Marie-Christine Dabauvalle.
"Gleichzeitig wird der Membrankanal durch die Anlagerung von hunderten spezifischer Proteinen, den so genannten Nukleoporinen, stabilisiert, und es bilden sich zylindrische Porenkomplexe, die zum Grundinventar jeder Zelle gehören, die einen Zellkern besitzt", so die Wissenschaftlerin. Diese Porenkomplexe zeigen stets die gleiche biochemische Zusammensetzung und den gleichen strukturellen Aufbau, unabhängig davon, ob man einzellige Organismen, pflanzliche, tierische oder menschliche Zellen untersucht.
Neubildung von Kernporen im Reagenzglas
Wie aber bildet sich solch ein neuer Kernporenkomplex? Um diese Frage experimentell anzugehen, hat die Gruppe um Marie-Christine Dabauvalle ein zellfreies System eingesetzt, das auf dem Extrakt von Eiern des südafrikanischen Krallenfroschs Xenopus laevis basiert. Gab sie diesem Extrakt DNA-Material hinzu, bildete sich spontan eine Kernhülle mitsamt Kernporenkomplexen; es entstanden "synthetische" Zellkerne.
Mit Hilfe eines Tricks gelang es der Arbeitsgruppe anschließend, Kerne herzustellen, die von einer Doppelmembran umgeben waren, aber keine Porenkomplexe enthielten. Erst nach der Zugabe einer ganz bestimmten Membranfraktion bildeten sich Poren in der Membran.
Das Rätsel der Poren induzierenden Membranfraktion
Was bewirkte die Neubildung der Kernporen? In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Albert Sickmann vom Virchow-Zentrum konnte Marie-Christine Dabauvalle und ihr Team den porenbildenden Faktor identifizieren. Es handelt sich überraschenderweise um das Protein, das die Vaults aufbaut, genannt Major Vault Protein (MVP). Wie genau Vaults die Kernporenbildung auslösen, ist noch nicht geklärt.
Die Größe und die biochemischen Eigenschaften der Vault-Nanokapseln lassen jedoch vermuten, dass sie mit dafür verantwortlich sind, wenn die beiden Kernmembranen punktuell miteinander verschmelzen. Zusätzlich könnten sie die neu gebildeten Membrankanäle stabilisieren und dadurch ein chaotisches Aufreißen verhindern, bis sich die stabile Architektur der Kernporenkomplexe ausgebildet hat.
Schwerpunkt der weiteren Forschungen wird es nun sein, die Interaktionen von Vaults mit der Kernmembran und den verschiedenen Nukleoporinen auf molekularer Ebene aufzuklären. Über das Forschungsergebnis berichtet die aktuelle Ausgabe des Journal of Cell Science ("Assembly of nuclear pore complexes mediated by major vault protein").
Source: Julius-Maximilians-Universität Würzburg