Zellmorphologie prägt Proteinmuster

Imagefilm Zellmorphologie (Juni 2019).

Anonim

Die genaue Kontrolle der Verteilung spezifischer Proteine ​​ist für viele biologische Prozesse essentiell. Ein LMU-Team hat nun ein neues Modell für die intrazelluläre Musterbildung beschrieben. Hier spielt die Form der Zelle selbst eine große Rolle.

Das charakteristische Muster der Zebrastreifen, die bunten Streifen, die auf vielen Muscheln zu sehen sind, und die spiralförmige Verteilung der Samen in Sonnenblumenköpfen sind bekannte Beispiele für Musterbildung in der Natur. Ähnliche Strukturierungsprozesse finden auf zellulärer Ebene statt. - Tatsächlich sind sie ein entscheidender Bestandteil vieler biologischer Prozesse: Zum Beispiel wird die Position der Spaltungsebene einer sich teilenden Zelle durch räumlich lokalisierte Proteine ​​definiert. Eine Gruppe von Forschern um den LMU-Biophysiker Professor Erwin Frey hat nun mithilfe von Computersimulationen herausgefunden, wie solche Proteinmuster im Zytoplasma von Bakterienzellen entstehen und erhalten werden können. Ihre Ergebnisse weisen auf einen bisher ungeahnten Mechanismus hin, in dem sich ein stabiles Proteinmuster herausbildet der direkte Einfluss der räumlichen Geometrie der Zelle allein. Ihre Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift PNAS.

"Wir wollten die intrazelluläre Musterbildung im Bakterium E. coli simulieren", sagt Frey. Wenn sich E. coli teilt, liegt die Teilungsebene immer genau in der Mitte der langen Achse der stabförmigen Zelle. Genetische Studien haben gezeigt, dass die Proteine ​​MinC, MinD und MinEserve wesentliche Determinanten des Ortes der Spaltungsebene sind. Diese Proteine ​​pendeln ständig von einem Ende der Zelle zum anderen hin und her. Diese Hin- und Herbewegung wird durch eine zyklische Interaktion zwischen MinD und MinE gesteuert. Wenn MinD das Nukleotid ATP bindet, bindet es an die Zellmembran und rekrutiert MinE. Die Bildung des MinDE-Komplexes wiederum induziert die langsame Hydrolyse von ATP zu ADP. Dies führt zur Freisetzung der beiden Untereinheiten in das Zytoplasma, wo MinD seinen gebundenen ADP gegen ein anderes ATP-Molekül austauscht. Dieses oszillatorische Verhalten führt zu einer bipolaren Verteilung, die durch hohe Konzentrationen von MinD und MinE an den Enden der Zelle und viel niedriger gekennzeichnet ist Ebenen in der Mitte. Infolgedessen wird die Bildung der Spaltungsebene an den Polen, aber nicht am Mittelpunkt der wachsenden Zelle verhindert.

Vorzugsakkumulation an den Polen

Das Modell, das Frey und seine Teammitglieder Dominic Thalmeier und Jacob Halatek entwickelten, um die Bildung einer solch auffälligen Proteinverteilung zu erklären, wurde von den Effekten eines verwandten Proteins namens AtMinD in diesem System inspiriert. Die Grundlage für diese Einsicht wurde durch die experimentelle Beobachtung geliefert, dass das bipolare Muster immer noch E. coli-Mutanten bildet, in denen MinD und MinE durch AtMinD, ein homologes Protein, das in den Chloroplasten der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) exprimiert wurde, ersetzt wurden. erklärt Thalmeier, Erstautor der Studie. Wie MinD kann AtMinD in zwei Nukleotid-gebundenen Formen existieren. In diesem Fall können beide an die bakterielle Zellmembran binden. Diese beiden Formen von AtMinD übernehmen die Rolle von MinD und MinE, oszillieren zwischen membrangebundenen und löslichen Zuständen unter der Kontrolle eines ähnlichen Zyklus biochemischer Reaktionen.

"In unserem Minimalmodell ist der Musterbildungsprozess eine Konsequenz des Massenwirkungsgesetzes und wird durch die Tatsache reguliert, dass sich die beiden Formen von AtMinD in ihren relativen Affinitäten für die Zellmembran unterscheiden. Aber wir zeigen auch, dass die Geometrie der Zelle selbst spielt eine große Rolle. "Die Wahrscheinlichkeit, dass ein durch das Zytoplasma diffundierendes Protein mit der Zellmembran in Kontakt kommt, hängt von der ihm zugänglichen Fläche der Membranoberfläche ab. Im Fall einer stabförmigen Zelle ist diese Wahrscheinlichkeit an beiden Enden der Zelle aufgrund der Krümmung an den Polen am höchsten. Deshalb binden die Proteine ​​bevorzugt an die polare Membran und führen zum bipolaren Muster. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass, wenn die Simulationen in einem sphärischen Volumen durchgeführt wurden, das polarisierte Muster nicht erschien. "Im Gegensatz zu früheren Theorien erfordert das neue Modell nicht, dass die Proteine ​​intrinsisch auf den Grad der Membrankrümmung an sich reagieren, und auch die Reaktionsgeschwindigkeit muss nicht fein abgestimmt werden", erklärt Frey. "In dieser Hinsicht unterscheidet sich unser Modell grundlegend von dem berühmten Turing-Mechanismus für die Musterbildung und hat das Potenzial, zu verändern, wie wir jetzt das ganze Problem der Musterbildung in biologischen Systemen betrachten."

Frey und seine Kollegen planen nun, in anderen Einstellungen nach anderen, ähnlich einfachen Systemen zu suchen. Wenn es uns gelingt, solche Systeme zu rekonstruieren, könnte man verschiedene minimale Musterungsmodule kombinieren, um verschiedene wichtige zelluläre Funktionen nachzuahmen. - Langfristig könnte dies zur Entwicklung einer künstlichen Zelle beitragen, die uns helfen würde, komplexe biologische Prozesse besser zu verstehen, schließt Frey.

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