Dortmunder Max-Planck-Forscher enthüllen kleinste Details von Aktinfilamenten
Aktinfilamente sind Proteinfasern, die das innere Skelett einer Zelle bilden. Als aktive Elemente in unseren Zellen unterstützen sie die Zellfusion und Zellbewegung und sind an vielen weiteren zellulären Prozessen beteiligt. Sie sind auch ein wichtiger Hauptbestandteil von Muskelzellen. Forschern des Max-Planck-Instituts für molekulare Physiologie in Dortmund ist es erstmals gelungen, Hunderte von Wassermolekülen im Aktinfilament sichtbar zu machen, ein Quantensprung in der Aktinforschung. Mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) zeigt die Gruppe von Stefan Raunser in nie dagewesener Detailtreue, wie Aktin-Proteine in einem Filament angeordnet sind, wie sich ATP – die Energiequelle der Zelle ·Lula- in der Tasche des Proteins befindet und wo die einzelne Wassermoleküle sind. positionieren und mit ATP reagieren.
Die Kryo-EM-Rekonstruktion von Mg2+-ADP-BeF3-gebundenem F-Aktin wurde auf 2,2 Å aufgelöst. Die zentrale Aktin-Untereinheit ist blau gefärbt, die anderen vier Untereinheiten sind grau. Die den Wassermolekülen entsprechenden Dichten sind rot eingefärbt. ADP ist gelb.
© MPI für molekulare Physiologie
Die Kryo-EM-Rekonstruktion von Mg2+-ADP-BeF3-gebundenem F-Aktin wurde auf 2,2 Å aufgelöst. Die zentrale Aktin-Untereinheit ist blau gefärbt, die anderen vier Untereinheiten sind grau. Die den Wassermolekülen entsprechenden Dichten sind rot eingefärbt. ADP ist gelb.
© MPI für molekulare Physiologie
„Wir beantworten grundlegende Lebensfragen, die Forscher seit mehreren Jahrzehnten zu beantworten versuchen“, sagt Raunser. In eukaryotischen Zellen sind Aktinproteine reichlich vorhanden und aggregieren zu Filamenten. Ein Netzwerk dieser Filamente bildet das Zytoskelett der Zelle, das durch Bewegung verschiedene zelluläre Prozesse steuert. Verwenden Sie also z. B. Immunzellen verwenden Aktinfilamente, um sich fortzubewegen und Bakterien und Viren zu jagen. Bisher war bekannt, dass die Dynamik der Filamente durch ATP-Hydrolyse reguliert wird: die Reaktion von ATP mit Wasser, bei der eine Phosphatgruppe gespalten und Energie gewonnen wird. Die molekularen Details dieses Prozesses sind jedoch noch unklar.
Da Aktinfilamente zu flexibel oder zu groß für Röntgenkristallographie und Kernspinresonanz sind, können detaillierte Bilder der Filamente nur mit Kryo-EM erhalten werden. 2015 nutzte Raunsers Team diese Technik, um ein neues dreidimensionales Atommodell der Filamente mit einer Auflösung von 0,37 Nanometern zu erstellen. 2018 beschrieb seine Gruppe die drei unterschiedlichen Zustände, die das Aktin-Protein im Filament annimmt: gebunden an ATP, gebunden an ADP in Anwesenheit des gespaltenen Phosphats und gebunden an ADP, nachdem das Phosphat freigesetzt wurde.
Wie sich Wassermoleküle bewegen
In ihrer aktuellen Studie konnte das Team um Stefan Raunser einen neuen Auflösungsrekord aufstellen: Sie erhielten Strukturen aller drei Aktin-Zustände mit einer Auflösung von etwa 0,2 Nanometer und konnten so bisher unsichtbare Details sichtbar machen. Die dreidimensionalen Karten zeigen nicht nur alle Aminosäureseitenketten der Proteine, sondern verraten auch, wo sich Hunderte von Wassermolekülen befinden.
Aus dem Vergleich dieser neuen Strukturen mit denen des isolierten Aktin-Proteins konnten sie ableiten, wie sich die Wassermoleküle bewegen. Während der Polymerisation werden die Wassermoleküle in der ATP-Tasche verdrängt, sodass nur ein einziges Wassermolekül vor dem ATP verbleibt, bereit, ein Phosphat anzugreifen und eine Hydrolyse einzuleiten. Die durch diesen Ansatz gewonnenen präzisen Erkenntnisse haben das Potenzial, die Forschung auf diesem Gebiet voranzutreiben: „Unser hochauflösendes Modell kann Forscher bei der Entwicklung kleiner Moleküle für die lichtmikroskopische Gewebeforschung und letztlich für therapeutische Anwendungen unterstützen“, sagt Raunser.
Ein Türöffner?
Die Autoren beleuchten auch das Schicksal von Phosphat. Bisher glaubten die Forscher, dass es in der ATP-Tasche eine Hintertür gibt, die nach der ATP-Hydrolyse offen bleibt, um den Phosphataustritt zu erleichtern. Die neuen Kryo-EM-Strukturen zeigen jedoch keine offene Hintertür. Daher bleibt der Mechanismus der Phosphatfreisetzung ein Rätsel. „Wir denken, dass es tatsächlich ein Tor gibt. Aber es öffnet sich wahrscheinlich nur kurz und schließt sich dann wieder“, sagt Raunser, der nun mit mathematischen Simulationen und zeitaufgelösten Kryo-EM-Methoden zeigen will, wie das Phosphat herauskommt. Diese aufregenden Entdeckungen haben Forschern offenbar die Tür geöffnet, um noch mehr Details über die Prozesse aufzudecken, durch die Aktinfilamente zur Zellbewegung beitragen.