Der Zellkern: Baupläne für den Einbau von Kernporen entschlüsselt

Wien (OTS) - ForscherInnen um Alwin Köhler an den Max F. Perutz
Laboratories (MFPL) der Universität Wien und der Medizinischen
Universität Wien geben in einer aktuellen Studie neue Einblicke, wie
Kernporen in die Hülle von Zellkernen eingebaut werden. Kernporen
kontrollieren den gesamten Austausch von Makromolekülen zwischen dem
Inneren des Zellkerns, wo die Erbinformation aufbewahrt ist, und dem
Zytoplasma, wo diese Baupläne zur Produktion verschiedenster
Zellbausteine verwendet werden. Mehr als eine Million Makromoleküle
werden pro Minute durch die 3.000-4.000 Kernporen eines menschlichen
Zellkerns transportiert. Dieser Austausch ist lebenswichtig und
Transportfehler stehen im Zusammenhang mit Krebs, Alterungsprozessen
und Autoimmunerkrankungen. Die Ergebnisse sind nun im renommierten
Fachjournal "Developmental Cell" erschienen.

Zellen sind die Grundbausteine allen Lebens. Manche Lebewesen wie
Bakterien bestehen nur aus einer Zelle, während ein Mensch aus 100
Billionen verschiedener Zellen besteht. Je nach Lebewesen
unterscheiden sich die Zellen in Form und Funktion, ebenso wie sich
die Zellen unterschiedlicher Gewebe ein und desselben Organismus
unterschieden. Grundsätzlich kann man aber zwischen Lebewesen ohne
Zellkern, den Prokaryoten, und denen mit Zellkern, den Eukaryoten,
unterscheiden. Alle höheren Lebensformen wie Mensch und Tier gehören
zu den Eukaryoten. Ihre Zellen zeichnen sich durch ein Organell aus,
das ihr Erbgut umhüllt und schützt: der Zellkern.

Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, die ihn vom Rest
der Zelle abgrenzt. Ähnlich einer mittelalterlichen Stadt ist er von
gleich zwei Mauern umgeben. Ebenso wie es für die Bewohner der Stadt
wichtig ist, dass Waren und Nahrungsmittel in und aus der Stadt
transportiert werden können, ist auch für Zellen ein kontrollierter
Austausch von Molekülen zwischen Zellkern und Zellinnerem
lebenswichtig. Die Tore in der Stadtmauer sind die Kernporen. Diese
riesigen Proteinkomplexe bilden einen hochselektiven Kanal, der sich
durch die gesamte Kernmembran zieht und sich auf der
Zellkerninnenseite in eine Struktur erweitert, die einem
Basketballkorb ähnelt, der in der Fachsprache tatsächlich als
"nuclear basket" bezeichnet wird.

Aufbau und Funktion dieses "nuclear baskets" besser zu verstehen, ist
ein Forschungsschwerpunkt des ERC- und START-Preisträgers Alwin
Köhler und seines Teams an den Max F. Perutz Laboratories der
Medizinischen Universität Wien und der Universität Wien.

"Bisher ging man davon aus, dass der Korb hauptsächlich als
Andockstation für die Transportgüter (Anm.: z.B. Ribonukleinsäuren)
dient. Als wir aber Proteine des Korbes überexprimierten, also die
Zelle viel zu viel davon produzieren ließen, sahen wir dramatische
Veränderungen der Zellkernstruktur: die Kernmembran war im Vergleich
zu ihrer normal kugelförmigen Gestalt massiv deformiert", erläutert
Alwin Köhler. Diese Beobachtungen brachten die Forscher auf die Idee,
zu untersuchen, ob die "Korb-Proteine" auch die Fähigkeit haben,
Kernmembranen unmittelbar zu binden und zu modellieren.

Damit nämlich eine neue Kernpore in die den Zellkern umgebende
Doppelmembran eingebaut werden kann, muss an dieser Stelle erst
einmal umgebaut und ein "Loch" in der Membran geschaffen werden.
Hierfür müssen sich die beiden Membranen annähern, stark krümmen und
schließlich verschmelzen. Doktorandin Noémi Mészáros erklärt: "Das
ist als würde man von der äußeren Stadtmauer ein Stück nach innen
klappen und von der Inneren ein Stück nach außen, um so eine Öffnung
für ein neues Tor zu schaffen." Der gemeinsame Erstautor der Studie,
Jakub Cibulka, fügt an: "Unsere Experimente haben gezeigt, dass
Korb-Proteine auch im Reagenzglas Membranen verformen können. Darüber
hinaus konnten wir zeigen, dass Kernmembranen ohne Korb-Proteine
instabil werden und die Zellkerne extrem deformiert sind." Diese
Ergebnisse bestätigten die Annahme der Forscher, dass Korb-Proteine
mehr als nur Andockstationen für Transportgut sind. Sie sind aktive
Helfer beim Umbau der Kernmembran für den Einbau einer Kernpore.

Diese neuen Erkenntnisse helfen ForscherInnen einerseits den Aufbau
dieses extrem komplizierten molekularen Tores besser zu verstehen,
als auch auf lange Sicht die Rolle der Kernporen bei
Krebserkrankungen und Alterungsprozessen zu untersuchen. Nun arbeitet
das Team um Alwin Köhler daran, das Prinzip der
Kernmembran-(Re-)Konstruktion noch genauer zu verstehen, für welches
die Studie den Grundstein gelegt hat. "Dieses Projekt zeigt einmal
mehr, dass die Biologie immer wieder Überraschungen bereithält.
Grundlagenforschung ist nicht völlig planbar, eröffnet aber für die
Medizin wichtige Einsichten. Es ist sehr wahrscheinlich, dass
Verformungen des Zellkerns seine Gesamtfunktion verändern und
medizinisch relevante Funktionen gestört werden", sagt Alwin Köhler.

Das Projekt wurde vom ERC, vom Wissenschaftsfond FWF, von EMBO und
dem Human Frontier Science Programm gefördert.

Service: Developmental Cell
Noémi Mészáros, Jakub Cibulka, Maria Jose Mendiburo, Anete
Romanauska, Maren Schneider & Alwin Köhler: Nuclear pore basket
proteins are tethered to the nuclear envelope and can regulate
membrane curvature. In: Developmental Cell, May 2015.
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.devcel.2015.02.017

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