TRÖPFCHEN IN DER ZELLSUPPE - MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
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Tröpfchen in der
zellsuppe
Text: Tim Schröder
Jahrzehntelang interessierte sich
niemand für die Bläschen, die
Biologinnen und Biologen bei der
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Beobachtung von Zellen unter dem
rende Weise zu Bläschen zusammen, bilden sich nicht zufällig, sondern ihr
Mikroskop beobachteten. Cliff die hier und da auftauchen und mitei- Wachsen und ihr Vergehen werden
Brangwynne und A nthony Hyman nander verschmelzen. Manchmal ent- von den Zellen aktiv gesteuert. An
vom Dresdner Max-Planck-Institut stehen innerhalb von Minuten Dut- thony Hyman, Direktor am Max-
für molekulare Zellbiologie und zende solcher Körperchen, die dann Planck-Institut für molekulare Zell-
ebenso schnell wieder verschwinden. biologie und Genetik in Dresden,
Bi l d: Moha m ad A l m e dawa r /M PI f ü r mol e k u l a r e Z e l l biol o gi e u n d Ge n et i k
Genetik gehören zu den ersten Seit es Mikroskope gibt, kennen For- nennt diese Eiweißstrukturen „Kon-
Forschern, die diese rätselhaften schende die Bläschen, die als undefi- densate“. Sie entstehen, wenn sich
Phänomene näher untersuchten. nierte kleine Kleckse zu sehen waren. Proteine in der Zellflüssigkeit zusam-
Doch hatte sich lange Zeit niemand menfinden und eine dichtere Masse
wirklich dafür interessiert. Bis der bilden, also in eine neue „Phase“
Zellbiologe Anthony Hyman und sein übergehen.
Der Aufbau von Zellen ist heute Schul- damaliger Mitarbeiter Cliff Brang-
stoff. Sie werden meist als kleine Bla- wynne im Jahr 2008 in einem Physio- Viele Wissenschaftlerinnen und Wissen-
sen oder Vierecke dargestellt, in de- logiekursus eine erstaunliche Entde- schaftler gehen nun davon aus, dass
nen ein Zellkern und mehrere Orga- ckung machten. Die Gruppe betrach- diese Proteinkondensate eine wich-
nellen herumschwimmen: der soge- tete gerade Eier des Fadenwurms tige Rolle bei biochemischen Prozes-
nannte Golgi-Apparat, in dem Pro- Caenorhabditis elegans unter dem Mi- sen in den Zellen spielen, sei es bei der
teine verändert werden, oder die kroskop. Cliff Brangwynne bemerkte Zellteilung, beim Ablesen des geneti-
Mitochondrien, die Kraftwerke der in den Zellen einige auffällig große schen Codes und der Herstellung von
Zelle. Viel mehr, so suggerieren diese Körper, die sich wie Öltropfen im Proteinen oder auch bei der Entste-
Schulbuchzeichnungen, ist in einer Wasser verhielten. Das Interesse der hung von Krankheiten. „In den meis-
Zelle nicht enthalten. Forscher war geweckt! ten Fällen wissen wir noch immer
nicht genau, was die Bildung der Kon-
Tatsächlich aber sind die Zellen randvoll Seitdem hat Forschende weltweit die densate antreibt und welche Funktion
gefüllt. Man schätzt, dass das Innere Faszination für Bläschen gepackt. die verschiedenen Körperchen besit-
einer jeden Zelle rund fünf Milliar- Heute weiß man, dass es sich bei die- zen“, sagt Hyman. Zum Vergleich:
den Proteinmoleküle enthält. Und die sen Körpern um Ansammlungen von Ersetzte man die fünf Milliarden Pro-
schwimmen nicht einfach nur herum. Proteinen und anderen großen Mole- teinmoleküle durch Menschen und
Vielmehr fügen sie sich auf faszinie- külen wie Nukleinsäuren handelt. Sie behielte die Dichte bei, so fänden alle
Max Planck Forschung · 3 | 2021
wissen
Aus
biologie & medizin
Ein fluoreszierendes,
zuckerspaltendes Enzym
färbt Endothelzellen
violett. Leiden die Zellen
unter Sauerstoffmangel,
lagern sich bestimmte
Proteine zusammen
(grüne Punkte). In den
weißen Flecken kommen
diese Proteine und das
zuckerspaltende Enzym
zusammen.
wissen aus
Menschen auf der Fläche des Comer menbau der sogenannten Mikrotubuli Tröpfchen mit FUS-Proteinen her-
Sees Platz. Das Faszinierende daran: – langer, fadenförmiger Moleküle, die stellte, die in ähnlicher Weise wie bei
Die Proteine können sich innerhalb Teil des Zellskeletts sind. Nimmt das ALS mutiert waren, machten sie eine
weniger Sekunden neu anordnen und Tau-Protein eine falsche dreidimen beunruhigende Entdeckung: Nach
dabei auch Kondensate bilden. sionale Struktur an, bildet es die für wenigen Stunden waren die Tröpf-
die Alzheimer-Krankheit typischen chen zu „schrecklichen Aggregaten“
Ablagerungen. Die amyotrophe Late erstarrt, wie Hyman es formuliert.
Schreckliche ralsklerose (ALS) ist ein weiteres Bei- Die mutierten Proteine trieben offen-
Aggregate spiel. Dabei handelt es sich um eine
Erkrankung, bei der Nervenzellen ab-
sichtlich einen Phasenübergang von
einem flüssigen in einen festen,
sterben, welche die Muskeln steuern. kristallähn lichen Zustand an, der
Zusammen mit seinem Team untersucht Versagen diese Zellen ihren Dienst, auch die Krankheit verursachen
Anthony Hyman, wann und wie die kann der Körper ansonsten intakte könnte.
Proteine in den Zellen zueinander Muskeln nicht mehr bewegen. Hyman
finden – beispielsweise bei welchen und seine Mitarbeitenden haben das Phänomene wie die Phasenübergänge
Temperaturen oder Salzgehalten sich Protein „Fused in sarcoma“ (FUS) von fest zu flüssig und die Bildung
die Proteinkondensate bilden. Dieses untersucht, dessen mutierte Formen von Kondensaten sind heute prinzipi-
Wissen ist wichtig, weil viele Krank- mit ALS in Verbindung gebracht ell gut verstanden. Physiker haben sol-
heiten wahrscheinlich dann entste- werden. Normalerweise befindet sich che Phänomene genauer erforscht
hen, wenn der natürliche Rhythmus das FUS-Protein im Zellkern. Aber und beschrieben. Die Konzentration
aus Bildung und Auflösung der Kon- in Zellen, die Umweltstress ausge- von Stoffen, die Ladung von Protei-
densate aus dem Takt gerät. Ein Bei- setzt sind, verlässt es den Kern und nen oder die Tatsache, dass be-
spiel ist ein Protein namens Tau. In formt Tröpfchen in der Zellflüssig- stimmte Proteinabschnitte eher was-
den Zellen reguliert es den Zusam- keit. Als Hymans Gruppe im Labor seranziehend oder eher -abweisend
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Hari Raj Singh (links) und Sina Wittmann im Labor am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie
und Genetik. Zusammen mit ihren Kolleginnen und Kollegen wollen sie herausfinden, wie sich Biokondensate
in Zellen bilden und welche Funktion sie haben.
F o t o: M PI f ü r mol e k u l a r e Z e l l biol o gi e u n d Ge n et i k
Max Planck Forschung · 3 | 2021
biologie & medizin
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In
Noch sind die Aufgaben
von Kondensaten in
Zellen nicht alle bekannt.
Diskutiert werden (von
oben im Uhrzeigersinn):
die Aktivierung von
Gr af i k : G C O nach C e l l . 2 019 Ja n 24; 176 (3)
Reaktionen; die Speiche-
ren
Puf
rung überschüssiger
Se nso
Moleküle (Puffer); die
fer
Erzeugung mechanischer
Kräfte; die Veränderung
der Größe von Membran-
poren (Filter) sowie die
Lokalisierung von Mole-
külen an einem Ort.
Wenn die Kondensate
nur unter bestimmten Be-
dingungen entstehen,
könnten sie auch als
Sensoren dienen. Zudem
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könnten sie Reaktionen
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zwischen Molekülen
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verhindern, indem
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sie diese getrennt halten
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(Inaktivierung).
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55
F i lt e r
sind, spielen hier eine Rolle. Doch wie die gesamte Energie liefert. Hyman Konzentration würde also die Lös-
der Prozess der Phasentrennung und wurde hellhörig, als seine Mitarbei- lichkeit der Proteinkondensate beein-
Kondensation in den Zellen gestartet tenden ATP zu Proteinkondensaten flussen. „Möglicherweise hat sich
und gestoppt und wie er gesteuert gaben und feststellten, dass die Kon- ATP ursprünglich als biologisches
wird, ist immer noch unbekannt. densate verschwanden. Offenbar ver- Hydrotrop entwickelt, um Biomole-
Grundsätzlich gilt, dass die Konzent- hindert ATP eine Zusammenlage- küle in hoher Konzentration löslich
ration der Proteine in den Zellen hoch rung der Proteine auch bei den hohen zu halten. Erst später nutzte das Le-
sein muss, damit sich Kondensate bil- Konzentrationen in einer Zelle. ben es als Energiequelle“, erklärt
den können. Anthony Hyman fragte Hyman. Diese Hypothese ist jedoch
sich deshalb nicht nur, warum sich die experimentell nur schwer zu bewei-
Bläschen bei bestimmten Krankhei- Bessere Löslichkeit sen. Denn die hydrotropen Eigen-
ten bilden, sondern auch, wie in ge-
sunden Zellen die Zusammenlage-
in Wasser schaften von ATP lassen sich kaum
verändern, ohne dass zugleich seine
rung gestartet oder gehemmt wird. Funktion als Energiespender beein-
„Warum ist die Zelle kein Rührei, in ATP scheint wie sogenannte hydrotrope flusst wird. „Aber wenn es stimmt,
dem die Proteine miteinander ver- Stoffe zu wirken. Diese Substanzen dann wäre es eine Erklärung dafür,
klumpt sind? Schließlich sind die Pro- sind selbst keine Lösungsmittel, wer- warum sich bei Alterserkrankungen
teine in der Zellflüssigkeit so hoch den aber in der chemischen Industrie häufig Proteinaggregate bilden, denn
konzentriert, dass sie eigentlich aus eingesetzt, um die Löslichkeit organi- mit dem Alter lässt die ATP-Produk-
der Lösung ausfallen müssten.“ scher Verbindungen in Wasser zu er- tion nach.“
höhen. ATP ist ein Molekül, das in
Möglicherweise hat Anthony Hyman Zellen in großen Mengen vorkommt. Auch während der Zellteilung könnten
nun ein Schlüsselmolekül gefunden: Denkbar ist, dass ATP nur in be- Proteinkondensate wichtig sein. Be-
Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist stimmten Konzentrationen hydro vor sich eine Zelle teilt, ordnen sich
das Molekül, das lebenden Zellen fast trop wirkt. Eine Veränderung der die Chromosomen in der Mitte der
Max Planck Forschung · 3 | 2021wissen aus
Zelle an. Innerhalb weniger Minuten Tubulin hinzugefügt, das in die Tau- es sich um Strukturen handelt, die
bildet sich die sogenannte Spindel aus, Tröpfchen wanderte. Da das Tubulin sich nach bestimmten molekularen
eine Zugseilen ähnelnde Struktur. nun in den Tau-Tropfen wesentlich Regeln bilden – und diese Regeln ver-
Mit dieser zellulären Takelage wer- stärker konzentriert war, löste es die stehen die Experten immer besser.
den die Chromosomen in die beiden Bildung von Mikrotubuli aus. Hyman „Mittlerweile deutet sehr vieles darauf
Tochterzellen hineingezogen. Auch und seine Kolleginnen und Kollegen hin, dass es sich hier tatsächlich um
die Spindel bildet sich durch die Kon- vermuten daher, dass Zellen mittels biochemische Mikro fabriken han-
densation von Proteinen. Sie entsteht, der Phasentrennung das Wachstum delt.“ Trotz dieser Erkenntnisse hal-
indem sich in der Zellflüssigkeit ein- der Mikrotubuli und die Zellteilung ten manche die Kondensate für wenig
zelne Tubulinmoleküle aneinander initiieren. relevant. Andere Forschende betrach-
lagern und lange Ketten bilden – die ten sie als eine der wichtigsten Entde-
Mikrotubuli. Doch wie läuft die Bil- Wie groß die Bedeutung der Kondensate ckungen der modernen Biologie.
dung dieser Mikrotubuli ab? In einem letztlich ist, kann Hyman derzeit „Was stimmt oder ob die Wahrheit
Experiment haben Hyman und sein noch nicht sagen. Früher hat man die vielleicht in der Mitte liegt, das müs-
Team Kondensate des Mikrotubuli Kondensate lediglich als Kleckse be- sen wir erst noch herausfinden“, sagt
bindenden Tau-Proteins erzeugt und trachtet, heute weiß man jedoch, dass Anthony Hyman.
Anthony Hyman gilt als einer der Entdecker der Phasenseparierung in Zellen.
Bei der Untersuchung von Eiern des Fadenwurms C. elegans kam ihm die
Idee, dass sich die in den Zellen befindlichen Ansammlungen von RNA-Molekülen
wie Öltropfen in Wasser verhalten.
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Auf den Punkt
gebracht
F o t o: Sv e n D ör i ng
Proteine können in einer
Zelle bläschenförmige
Ansammlungen bilden.
Diese Kondensate können
innerhalb von Sekunden
oder Minuten entstehen
und sich wieder auflösen.
Kondensate spielen
wahrscheinlich bei funda-
mentalen Vorgängen
wie der Zellteilung und der
Proteinproduktion eine
Rolle.
Erkrankungen wie
Parkinson oder Alzheimer
entstehen vermutlich
dadurch, dass sich in den
Zellen unkontrolliert
Proteinkondensate bilden.
Max Planck Forschung · 3 | 2021WARUM SCHEITERN EHEN?
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WIE FUNKTIONIERT
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