Einblicke ins Innere menschlicher Zellen auf Nanoebene ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion einer Proteinfabrik mittels Kryo-Elektronentomographie.
Wer in der Zelle für die Bildung von Proteinen (Eiweißen) zuständig ist, ist dank der zellbiologischen Forschung bereits bekannt. Aber wie diese Proteinfabriken (Ribosomen) innerhalb der Zelle organisiert sind, ist bisher nicht umfassend erforscht.
Kürzlich ist es Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München gelungen, das Innenleben einer intakten menschlichen Zelle mittel Kryo-Elektronentomographie dreidimensional abzubilden. So konnten sie zeigen, wo sich die Ribosomen in der Zelle befinden und wie sie angeordnet sind. In der Vergangenheit war das nur bei Bakterienzellen möglich.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Molecular Cell veröffentlicht [siehe unten].
Dreidimensionale Rekonstruktion einer Proteinfabrik mittels Kryo-Elektronentomographie. Um Proteine noch effizienter herstellen zu können, schließen sich meist viele Ribosomen zu einem Polysom zusammen.
[Abbildung: Florian Brandt / Copyright: MPI für Biochemie]
Menschliche Zellen sind sehr komplexe Gebilde mit vielen verschiedenen Bestandteilen. Ein sehr wichtiger zellulärer Bestandteil sind die Ribosomen: Sie sind als Proteinfabriken der Zelle für die Herstellung von Proteinen (Proteinbiosynthese) zuständig. Den Bauplan dafür liefert unsere Erbinformation, die DNA.
Da die Ribosomen für diesen Prozess so bedeutsam sind, waren sie schon oft Gegenstand der Strukturforschung. Bisher konnten die Wissenschaftler lediglich einzelne, isolierte Ribosomen betrachten. Ribosomen treten in der lebenden Zelle jedoch meist wie an einer Perlschnur aufgereiht in sogenannten Polyribosomen auf. Eine isolierte Betrachtung genügt aber nicht, um vollständig zu verstehen, wie die Proteinproduktion innerhalb der Zelle abläuft und wie sie in die komplexen zellulären Strukturen und Prozesse eingebunden ist. Daher ist es notwendig, die Ribosomen in ihrer „natürlichen Umgebung“, dem Zellinneren, abzubilden und zu untersuchen. Möglich macht dies die Kryo-Elektronentomographie.
Mit dieser Technik, die maßgeblich in der Abteilung Molekulare Strukturbiologie unter der Leitung von Wolfgang Baumeister entwickelt wurde, können dreidimensionale zelluläre Strukturen abgebildet und betrachtet werden. Die Zelle wird quasi schockgefroren, sodass ihre räumliche Struktur erhalten bleibt und sie in ihren Eigenschaften nicht verändert wird. Dann nehmen die Forscher mit dem Elektronenmikroskop aus verschiedenen Blickwinkeln zweidimensionale Bilder der Zelle auf, aus denen sie schließlich ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Mit Hilfe dieser Methode konnten die MPIB-Wissenschaftler jetzt zum ersten Mal eine dreidimensionale Abbildung einer intakten menschlichen Zelle erzeugen. Das ist die Fortsetzung früherer Arbeiten, in denen dem Team um Wolfgang Baumeister und F.-Ulrich Hartl bereits die räumliche Analyse von Polyribosomen des Bakteriums E. coli (Brandt et al., Cell 2009) und von inaktivierten Ribosomen in einer ganzen E. coli Zelle (Ortiz et al., JCB 2010) gelungen ist.
Die Forscher fanden jetzt heraus, wie die Ribosomen innerhalb der menschlichen Zelle positioniert sind: Ihre Anordnung ist keinesfalls zufällig, sondern sorgt dafür, dass neu entstandene, noch ungefaltete Proteine großen Abstand voneinander einhalten. „Wir konnten eine ähnliche Positionierung schon bei bakteriellen Zellen beobachten, was darauf schließen lässt, dass die Ribosomen bei allen Lebewesen auf nahezu gleiche Weise angeordnet sind“, erklärt Florian Brandt, Wissenschaftler am MPIB. „Diese räumliche Organisation der Ribosomen könnte darauf ausgerichtet sein, ein Verklumpen und eine daraus resultierende Fehlfaltung neu entstandener Proteine zu verhindern.“
Die Arbeit der MPIB-Wissenschaftler stellt einen weiteren, wichtigen Schritt für die Zellbiologie dar, denn sie hilft dabei, die Verteilung der zellulären Bestandteile und damit die räumliche Organisation der gesamten Zelle besser zu verstehen. „Auch könnte in Zukunft interessant sein“, so Brandt, „wie sich diese Organisation zum Beispiel in alternden und kranken Zellen ändert und welchen Einfluss das auf die Gesamteffizienz der Proteinproduktion und –faltung haben könnte." [UD]
Quellen und Artikel:
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Florian Brandt, Lars-Anders Carlson, F. Ulrich Hartl, Wolfgang Baumeister, Kay Grünewald: The Three-Dimensional Organization of Polyribosomes in Intact Human Cells. In: Molecular Cell; Volume 39, Issue 4, 560-569, 27. August 2010 DOI: 10.1016/j.molcel.2010.08.003 URL: direct link
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Florian Brandt, Stephanie A. Etchells, Julio O. Ortiz, Adrian H. Elcock, F. Ulrich Hartl, Wolfgang Baumeister: The Native 3D Organization of Bacterial Polysomes. In: Cell; Volume 136, Issue 2, 261-271, 23. Januar 2009 DOI: 10.1016/j.cell.2008.11.016 URL: direct link
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Julio O. Ortiz, Florian Brandt, Valério R.F. Matias, Lau Sennels, Juri Rappsilber, Sjors H.W. Scheres, Matthias Eibauer, F. Ulrich Hartl, and Wolfgang Baumeister: Structure of hibernating ribosomes studied by cryoelectron tomography in vitro and in situ. In: Journal of Cell Biology; vol. 190 no. 4 613-621, 23. AUgust 2010 DOI: 10.1083/jcb.201005007 URL: direct link
