Der Balanceakt im Membranumsatz - ein Enzym, das Endozytose mit Membranrecycling verbindet

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Anonim

Alle Zellen haben Oberflächenmembranen, und diese Membran ist besonders wichtig in den lichtempfindlichen Zellen der Augen in Ihrem Körper. In deinen Augen befinden sich Millionen von Photorezeptoren - Nervenzellen, die Licht aufnehmen, um Bilder der Welt um dich herum zu bilden. Die Oberflächenmembranen dieser Nervenzellen sind mit Rhodopsin gefüllt, einem Protein, das Licht detektiert. Dies sind die lichtempfindlichen Membranen der Augen, die Lichtpakete absorbieren, um Nerven auszulösen, die das Sehvermögen hervorrufen.

Einmal ausgelöst durch Licht müssen Rhodopsinmoleküle auf der Oberflächenmembran "zurückgesetzt" werden, um das Licht wieder zu fühlen, ein Vorgang, der innerhalb der Zelle stattfindet. Dies erfordert, dass Rhodopsin in die Zelle bewegt wird und Rhodopsin zum Zurücksetzen auf die Oberflächen "zurückgesetzt" wird. Daher funktionieren die lichtempfindlichen Membranen in diesen Zellen, um normal zu funktionieren, einer konstanten Rückführung, um die von ihnen getragenen Lichtdetektoren wiederherzustellen.

Wissenschaftler des Nationalen Zentrums für Biowissenschaften (NCBS), Bangalore, und des Babraham Institute in Großbritannien haben kürzlich einen wichtigen Faktor für das richtige Membranrecycling gefunden. Unter Verwendung der lichtempfindlichen Membranen von Fruchtfliegenaugen als Modellsystem haben die Forscher entdeckt, dass das Enzym Phospholipase D oder PLD für das Membranrecycling notwendig ist, um das normale Sehvermögen aufrecht zu erhalten.

Die Rückstellung von Rhodopsin-Molekülen beginnt mit einem Prozess namens Endozytose, bei dem die Zelle Teile ihrer Oberflächenmembranen in Strukturen, die als Endosomen bezeichnet werden, festklemmt. Das Rhodopsin in diesen Endosomen wird schließlich für weitere Ereignisse der Lichterfassung auf die Zelloberfläche zurückgeführt. Da die Empfindlichkeit eines Photorezeptors davon abhängt, wie viele Rhodopsinmoleküle er auf seiner Oberfläche hat, ist der Membranumsatz in diesen Zellen entscheidend für die Aufrechterhaltung des normalen Sehvermögens.

"Man kann sich Endozytose und Membranrecycling als zwei Arme des Membranumsatzprozesses vorstellen", sagt Raghu Padinjat vom NCBS. "Es muss ein Gleichgewicht zwischen den beiden bestehen, da sonst die Größe der Membran schrumpft - ein Zustand, der zu einer Degeneration der Netzhaut in den Augen führen kann. Dies ist tatsächlich bei einer erblichen Erbkrankheit, einer seltenen Krankheit, die Makuladegeneration von Best genannt wird, zu beobachten, " er addiert.

Der Zusammenhang zwischen Endozytose und dem späteren Recyclingprozess zur Erhaltung lichtempfindlicher Oberflächenmembranen ist jedoch bis heute unklar. Eine gemeinsame Studie aus Padinjats Labor am NCBS und dem Babraham Institute in Großbritannien hat herausgefunden, dass ein bekanntes Enzym namens Phospholipase D oder PLD eine zentrale Rolle bei der Verknüpfung von Endozytose mit Membranrecycling spielt.

Unter Verwendung von Fruchtzapfen-Photorezeptorzellen als Modellsystem hat das Team herausgefunden, dass, wenn diese Zellen Licht ausgesetzt werden, PLD angeschaltet wird, und dass seine Aktivität essentiell für die Kopplung der Endozytose mit Rückführung von Rhodopsin an die Zelloberfläche ist.

Bei Mutantenfliegen, denen PLD in ihren Photorezeptoren fehlt, ist der Endozytoseprozess nicht vom Membranrecycling getrennt. Wenn sie kontinuierlich dem Licht ausgesetzt werden, schrumpft die Zelloberfläche von Photorezeptoren in mutierten Fliegen allmählich mit abnehmenden Rhodopsinkonzentrationen, wodurch sie zunehmend weniger lichtempfindlich wird. Ohne PLD-Aktivität degeneriert die Netzhaut allmählich und Mutanten fliegen erblindet.

Das Team von Padinjat wählte das Fruchtfliegenauge als Modellsystem, da es viele ideale Eigenschaften für die Untersuchung des Membranumsatzes bietet. Dies liegt daran, dass die lichtempfindlichen Teile der Photorezeptoren von Fruchtfliegen stark expandiert sind und eine Struktur bilden, die Rhabdomere genannt wird. Wenn sie dem Licht ausgesetzt werden, können Veränderungen in der Größe dieser Membran durch Elektronenmikroskopie deutlich sichtbar gemacht werden. Darüber hinaus konnten die Forscher aufgrund der genetischen Lenkbarkeit des Systems PLD eindeutig als essenziellen, den Membranumsatz regulierenden Bestandteil identifizieren.

"Das Enzym PLD wandelt ein Molekül namens Phosphatidylcholin in Phosphatidsäure oder PA um, die am Membranumsatz beteiligt ist. PA wird jedoch auch von anderen Enzymen produziert, und unsere Studie zeigt schlüssig, dass der PA regulierende Membranumsatz von PLD produziert wurde", sagt Rajan Thakur, ein Forscher aus der Gruppe von Padijat und der Hauptautor einer Veröffentlichung in der Zeitschrift eLife, die diese Ergebnisse berichtet.

Trotz der Identifizierung eines wichtigen Akteurs im Membranumschlagsprozess ist das Team von Padinjat der Ansicht, dass viel mehr Lücken notwendig sind, um das Phänomen zu verstehen. Zum Beispiel zeigt die Arbeit, dass die PLD-Aktivität in Photorezeptoren lichtaktiviert ist, aber wie dies geschieht, ist immer noch ungelöst.

"Der Lichtrezeptor Rhodopsin befindet sich auf der Membranoberfläche und kann Licht detektieren, wenn die Oberfläche der Zelle beleuchtet ist. Aber PLD, das ebenfalls lichtaktiviert ist, befindet sich irgendwo in der Zelle. Wie werden die Informationen über wahrgenommenes Licht übermittelt? zu PLD, damit es aktiviert wird? " fragt Thakur. "Wir müssen auch Leerstellen darüber ausfüllen, wie sich PA tatsächlich auf das Membranrecycling und den Umsatzprozess auswirkt. Unser Befund hat uns mehr Fragen im Membranumwandlungsprozess eröffnet", fügt er hinzu.

Die Ergebnisse dieser Studie beschränken sich jedoch nicht nur auf den Membranumsatz in den lichtempfindlichen Membranen der Augen. Der Membranumsatz ist ein kritischer Mechanismus, der die Zelloberfläche beibehält. In Zellen, die ausgedehnte Zelloberflächen haben, wie jene, die die Luftwege der Lunge oder die ernährungserhaltenden Zellen des Darms auskleiden, ist die Aufrechterhaltung der Zelloberfläche für ihre normale Funktion wesentlich. Selbst Prozesse wie die Zellmigration haben umfangreiche Endozytose- und Membranrecycling-Ereignisse, die streng reguliert werden müssen.

"Unabhängig vom Zelltyp müssen daher Mechanismen vorhanden sein, um die Endozytose mit dem Recycling der Membran zu verbinden", sagt Padinjat. "Und das ist die Bedeutung unserer Arbeit - wir definieren einen Mechanismus, mit dem die Zellmembrangröße reguliert wird", fügt er hinzu.

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