Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE) haben in Zusammenarbeit mit dem Institut de Biologie Structurale Grenoble (IBS) und der Universität Freiburg (UNIFR) die Kryoelektronenmikroskopie eingesetzt, um zu beobachten, wie die Lipide und Proteine der Plasmamembran auf mechanische Belastungen reagieren und miteinander interagieren.
Diese Arbeiten zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen kleine Membranbereiche verschiedene Lipide stabilisieren können, um spezifische zelluläre Reaktionen auszulösen. Diese Entdeckungen, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, bestätigen die Existenz gut organisierter Lipid-Domänen und beginnen, ihre Rolle beim Überleben der Zellen zu enthüllen.
Die Zellen sind von einer Membran – der Plasmamembran – umgeben, die als physikalische Barriere dient, aber dennoch flexibel sein muss. Diese Eigenschaften werden von den Bestandteilen der Membran – Lipiden und Proteinen – verliehen, deren molekulare Organisation sich je nach äußerer Umgebung verändert. Diese Dynamik ist entscheidend für die Funktion der Membran, muss jedoch fein abgestimmt sein, damit sie weder zu gespannt noch zu locker wird.
Wie die Zellen Veränderungen in den biophysikalischen Eigenschaften der Plasmamembran wahrnehmen, könnte Mikroregionen der Membran – bekannt als Mikrodomänen – beinhalten, die einen spezifischen Gehalt und eine spezifische Organisation von Lipiden und Proteinen aufweisen.
Hochauflösende Kryoelektronenmikroskopie
Das Team von Robbie Loewith, ordentlicher Professor am Département de biologie moléculaire et cellulaire der Wissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, interessiert sich dafür, wie die Bestandteile der Plasmamembran miteinander interagieren, damit die biophysikalischen Eigenschaften der Membran für das Wachstum und Überleben der Zellen optimal bleiben.
Dreifach-Helix-Struktur des Eisosoms, eines dehnungs-empfindlichen Membran-Mikrodomäns der Bäckerhefe, gelöst durch hochauflösende Kryoelektronenmikroskopie.
© Jennifer Kefauver, Ambroise Desfosses, Luoming Zou, Robbie Loewith
"Bis jetzt erlaubten uns die verfügbaren Techniken nicht, Lipide in ihrer natürlichen Umgebung innerhalb der Membranen zu untersuchen. Dank des Dubochet Centers for Imaging (DCI) der Universitäten Genf, Lausanne, Bern und der EPFL konnten wir diese Herausforderung mit Hilfe der Kryoelektronenmikroskopie meistern", erklärt Robbie Loewith. Diese Technik ermöglicht die Gefrierung von Proben bei -200 °C, um die Membranen in ihrem nativen Zustand einzufangen, die dann mit dem Elektronenmikroskop beobachtet werden können.
Die Wissenschaftler verwendeten Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), ein Modellorganismus in vielen Forschungslaboren, da sie sehr einfach zu kultivieren und genetisch zu manipulieren ist. Außerdem sind die meisten ihrer grundlegenden zellulären Prozesse denjenigen höherer Organismen ähnlich. Diese Studie konzentrierte sich auf die sogenannten Eisosomen, spezifische Membran-Mikrodomäne, die um ein Netzwerk von Proteinen organisiert sind. Diese Eisosomen könnten in der Lage sein, Proteine und Lipide zu sequestrieren oder freizusetzen, um den Zellen zu helfen, Schaden an der Membran zu widerstehen und/oder ihn zu signalisieren, nach bisher unbekannten Prozessen.
"Zum ersten Mal ist es uns gelungen, Eisosomen, die Lipide der Plasmamembran in ihrem nativen Zustand enthalten, zu reinigen und zu beobachten. Dies ist ein echter Fortschritt, um ihr Funktionieren besser zu verstehen", erläutert Markku Hakala, Postdoc am Département de biochimie der Wissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Mitautor der Studie.
Umwandlung eines mechanischen Signals in ein chemisches Signal
Dank der Kryoelektronenmikroskopie konnten die Wissenschaftler beobachten, dass die Lipidorganisation dieser Mikrodomäne als Reaktion auf mechanischen Stress verändert wird. "Wir haben entdeckt, dass, wenn das Protein-Netzwerk des Eisosoms gedehnt wird – beispielsweise durch mechanischen Druck – die komplexe Anordnung der Lipide in den Mikrodomänen verändert wird. Diese Reorganisation der Lipide erlaubt wahrscheinlich die Freisetzung sequestrierter Signalmoleküle, um Anpassungsmechanismen an den Stress auszulösen. Unsere Studie zeigt einen molekularen Mechanismus, durch den mechanischer Stress durch Präzisionswechselwirkungen zwischen Proteinen und Lipiden in biochemische Signalgebung umgewandelt werden kann", freut sich Jennifer Kefauver, Postdoktorandin am Département de biologie moléculaire et cellulaire und Erstautorin der Studie.
Diese Arbeiten bieten viele Ansatzpunkte, um die entscheidende Rolle der Membrankompartimentierung zu untersuchen – das heißt, die Bewegung von Proteinen und Lipiden innerhalb der Membranen zur Bildung von Unterkompartimenten, den Mikrodomänen. Dieser Mechanismus ermöglicht es den Zellen, spezialisierte biochemische Funktionen zu erfüllen, insbesondere die Aktivierung von zellulären Kommunikationswegen als Reaktion auf verschiedene Belastungen, denen die Zellen ausgesetzt sein können.