Bildgebende Methode verdeutlicht neue Rolle des zellulären „Skelett“-Proteins

Bildgebende Methode verdeutlicht neue Rolle des zellulären „Skelett“-Proteins

Aktinmoleküle helfen dabei, die Teilung der Mitochondrien zu kontrollieren, was Auswirkungen auf Krankheiten hat

LA JOLLA – Während Ihr Skelett Ihrem Körper hilft, sich zu bewegen, unterstützen feine skelettartige Filamente in Ihren Zellen ebenfalls die Bewegung der Zellstrukturen. Jetzt haben Salk-Forscher eine neue bildgebende Methode entwickelt, mit der sie eine kleine Teilmenge dieser Filamente namens Aktin überwachen können.

„Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in der Zelle. Wenn man es sich also vorstellt, ist es überall in der Zelle zu finden“, sagt er Uri Manor, Direktor der Biophotonics Core-Einrichtung von Salk und korrespondierender Autor des Artikels. „Bisher war es wirklich schwer zu sagen, wo sich einzelne interessierende Aktinmoleküle befinden, weil es schwierig ist, das relevante Signal vom gesamten Hintergrund zu trennen.“

Mit der neuen Bildgebungstechnik konnte das Salk-Team herausfinden, wie Aktin eine wichtige Funktion vermittelt: es hilft den zellulären „Kraftwerken“, den Mitochondrien, sich in zwei Teile zu teilen. Die Arbeit, die in der Zeitschrift erschien Nature Methods am 10. August 2020 könnte zu einem besseren Verständnis der mitochondrialen Dysfunktion führen, die mit Krebs, Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wird.

Mitochondriale Spaltung ist der Prozess, durch den sich diese energieerzeugenden Strukturen oder Organellen im Rahmen der normalen Zellerhaltung teilen und vermehren; Die Organellen teilen sich nicht nur, wenn sich eine Zelle selbst teilt, sondern auch, wenn Zellen unter hohem Stress stehen oder Mitochondrien beschädigt sind. Allerdings ist die genaue Art und Weise, wie sich ein Mitochondrium in zwei Mitochondrien abspaltet, kaum verstanden, insbesondere wie die anfängliche Verengung erfolgt. Studien haben gezeigt, dass die vollständige Entfernung von Aktin aus einer Zelle neben vielen anderen Effekten zu einer geringeren Mitochondrienspaltung führt, was auf eine Rolle von Aktin in diesem Prozess schließen lässt. Die Zerstörung des gesamten Aktins führt jedoch zu so vielen Zelldefekten, dass es schwierig ist, die genaue Rolle des Proteins in einem einzelnen Prozess zu untersuchen, sagen die Forscher.

Also entwickelten Manor und seine Kollegen eine neue Methode zur Darstellung von Aktin. Anstatt das gesamte Aktin in der Zelle mit Fluoreszenz zu markieren, schufen sie eine Aktinsonde, die auf die äußere Membran der Mitochondrien abzielte. Erst wenn sich Aktin weniger als 10 Nanometer von den Mitochondrien entfernt befindet, bindet es an den Sensor, wodurch das Fluoreszenzsignal zunimmt.

Anstatt Aktin willkürlich über alle Mitochondrienmembranen verstreut zu sehen, wie es der Fall wäre, wenn es keine diskreten Wechselwirkungen zwischen Aktin und den Organellen gäbe, sah Manors Team helle Aktin-Hotspots. Und als sie genau hinsahen, befanden sich die Hotspots an den gleichen Stellen, an denen ein anderes Organell, das endoplasmatische Retikulum, die Mitochondrien kreuzt, was früher als Spaltungsstellen galt. Als das Team beobachtete, wie Aktin-Hotspots mit der Zeit aufleuchteten und verschwanden, entdeckten sie, dass um 97 Prozent der mitochondrialen Spaltstellen Aktin fluoreszierte. (Sie spekulieren, dass es auch an den anderen 3 Prozent der Spaltstellen Aktin gab, es aber nicht sichtbar war.)

„Das ist der klarste Beweis, den ich je gesehen habe, dass sich Aktin an Spaltstellen ansammelt“, sagt Cara Schiavon, Co-Erstautorin der Arbeit und gemeinsame Postdoktorandin in den Laboren von Uri Manor und Salk Professor Gerald Shadel. „Es ist viel einfacher zu erkennen als mit jedem anderen Aktinmarker.“

Indem sie die Aktinsonde so veränderten, dass sie an der Membran des endoplasmatischen Retikulums und nicht an den Mitochondrien befestigt wurde, konnten die Forscher die Reihenfolge ermitteln, in der verschiedene Komponenten am Spaltungsprozess der Mitochondrien beteiligt sind. Die Ergebnisse des Teams legen nahe, dass sich das Aktin an die Mitochondrien bindet, bevor es das endoplasmatische Retikulum erreicht. Dies liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie das endoplasmatische Retikulum und die Mitochondrien zusammenarbeiten, um die Mitochondrienspaltung zu koordinieren.

In zusätzlichen Experimenten beschrieben in ein vorab gedrucktes Manuskript, verfügbar auf bioRxiv, Manors Team berichtet auch, dass die gleiche Ansammlung von mit dem endoplasmatischen Retikulum assoziiertem Aktin an den Stellen beobachtet wird, an denen sich andere Zellorganellen – einschließlich Endosomen, Lysosomen und Peroxisomen – teilen. Dies deutet auf eine umfassende neue Rolle einer Untergruppe von Aktin in der Organellendynamik und Homöostase (physiologisches Gleichgewicht) hin.

Das Team hofft, in Zukunft untersuchen zu können, wie sich genetische Mutationen, von denen bekannt ist, dass sie die mitochondriale Dynamik verändern, auch auf die Interaktionen von Aktin mit den Mitochondrien auswirken könnten. Sie planen außerdem, die Aktinsonden anzupassen, um Aktin sichtbar zu machen, das sich in der Nähe anderer Zellmembranen befindet.

„Dies ist ein universelles Werkzeug, das jetzt für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden kann“, sagt Tong Zhang, Lichtmikroskopie-Spezialist bei Salk und Co-Erstautor der Arbeit. „Durch den Austausch der Targeting-Sequenz oder des Nanokörpers können andere grundlegende Fragen der Zellbiologie beantwortet werden.“

„Wir befinden uns im goldenen Zeitalter der Mikroskopie, in dem immer neue Instrumente mit immer höherer Auflösung erfunden werden; Aber trotzdem gibt es immer noch große Einschränkungen bei dem, was man sehen kann“, sagt Manor. „Ich denke, dass die Kombination dieser leistungsstarken Mikroskope mit neuen Methoden, die genau das auswählen, was Sie sehen möchten, die nächste Generation der Bildgebung darstellt.“

Weitere Forscher an der Studie waren Pauline Wales, Leonardo Andrade, Melissa Wu, Tsung-Chang Sung, Yelena Dayn und Gerald Shadel von Salk; Bing Zhao und Robert Grosse von der Universität Freiburg; Andrew Moore vom Howard Hughes Medical Institute; und Jasmine Feng und Omar Quintero von der University of Richmond.

Das Waitt Advanced Biophotonics Center (Heimat der Biophotonics Core-Einrichtung von Salk) wird von der Waitt Foundation und dem National Cancer Institute finanziert. Die Arbeit und die beteiligten Forscher wurden auch von der Salk Transgenic Core Facility, den National Institutes of Health, dem National Institute of General Medical Sciences, dem Human Frontier Science Program, dem Centre for Integrative Biological Signalling Studies und der University of Richmond School of Arts & Sciences unterstützt.

DOI: 10.1038/s41592-020-0926-5