Spurwechsel im Zellskelett

Transportwege in der Zelle

Viele funktionelle Bestandteile einer Zelle, etwa die Organellen, müssen in der Zelle zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort gebracht werden. Dazu werden sie von molekularen Motoren auf den Mikrotubuli und Aktinfilamenten transportiert.

Motoren, die lange als spezifisch für eines der beiden Netzwerksysteme galten, können aber in Wirklichkeit auch auf den anderen Filamenttyp umgelenkt werden. In Mäusen etwa wurde ein Adapter-Protein gefunden, das diese Umlenkung möglich macht.

Myosin transportiert seine Fracht über das Aktin-Netzwerk. Das Adapter-Protein interagiert aber auch mit den Mikrotubuli und kann den Transport auf dieses Netzwerk umleiten. Welches Netzwerk präferiert wird, steuert eine chemische Modifikation an einer bestimmten Bindungsstelle des Adapter-Proteins.

Adapter-Protein mit Umschalt-Modus

Ein dem Säugetier-Adapter entsprechendes Protein weisen auch Fische und Amphibien auf. Die evolutiv älteren Fische und Amphibien nutzen es, um Pigment-Organellen innerhalb spezieller Zellen umzuverteilen und können so ihre Hautfarbe an Umweltfaktoren anpassen.

Daher setzte das Forschungsteam für experimentelle Untersuchungen in Öktens Labor Zebrafische und Krallenfrösche ein, um den Ursprung und die molekularen Mechanismen der Interaktion zwischen dem Mikrotubuli- und dem Aktin-Netzwerk zu untersuchen.

Evolution eines molekularen Schalters

Dabei fanden die Wissenschaftler, dass sowohl das Maus- als auch das Krallenfrosch-Adapter-Protein eine bestimmte Domäne besitzt, die das Umschalten zwischen Aktin- und Mikrotubuli-Transport ermöglicht.

Zebrafische, die evolutiv ältesten der untersuchten Tiere, haben diese Domäne noch nicht. „Hier unterliegen die Motorproteine, die die Pigmente bewegen, anderen Regulationsmechanismen und es gibt noch keine Interaktion zwischen den verschiedenen Zellskelett-Netzwerken“, sagt Ökten.

„Bei den Krallenfröschen dagegen ist das Umschalten zwischen den Netzwerken zwingend erforderlich, damit das Tier sich umfärben kann – und diese Fähigkeit zum Umschalten hat sich auch im weiteren Verlauf der Evolution vom Amphibium zum höheren Wirbeltier erhalten“, erläutert Ökten weiter.

Theoretisches Modell erklärt Pigmentumverteilung

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Umweltsignale, die im Organismus von Krallenfröschen eine Umverteilung der Pigment-Organellen bewirken, mit einer Änderung der Wahrscheinlichkeit zusammenhängen, mit der einzelne Motorproteine von den Aktin- zu den Mikrotubuli-Filamenten wechseln.

„Wir haben ein theoretisches Modell entwickelt, das die Umschaltwahrscheinlichkeit eines einzelnen Motorproteins mit der zellweiten Umverteilung der Pigment-Organellen in Beziehung setzt“, sagt Frey. Die Computersimulationen ergaben, dass tatsächlich die Variation der Umschaltwahrscheinlichkeit als einziger Parameter ausreicht, um eine Umverteilung der Organellen in den simulierten Zellen zu provozieren.

Mikroskopbild des Zytoskeletts einer Zelle. Aktin-Filamente sind blau und Mikrotubuli sind rot dargestellt. Die Transporter sind als hellgrüne Punkte zu erkennen. – Bild: Dr. Zeynep Ökten / TUM