Wissenschaftliche Illustration

Membran-Couture mit dem Protein-Gummiband

Wie eine molekulare Maschine zelluläre Membranen verformen kann, beschäftigt Oliver Daumke seit fast 20 Jahren. Mittels Kryo-Elektronen-Tomographie fand sein Team jetzt die Antwort; die Forschungsergebnisse veröffentlichte das Journal „Nature Communications“.

Zwischen Zellen und dem umgebenden extrazellulären Raum herrscht geschäftiger Verkehr. Während Ionen und kleine polare Moleküle wie Wasser relativ problemlos über Kanalproteine oder Osmose von draußen nach drinnen gelangen, haben es größere „Güter“ schwerer. Makromoleküle, Nährstoffe wie Fettsäuren oder Flüssigkeitströpfchen wandern meist über Endozytose ein. Und das ist energieaufwändig: Die Zellmembran stülpt sich zunächst großflächig nach Innen ein, umschließt die Fracht und schnürt sich ab. Die abgeschnittenen Membranstücke werden dann in der Zelle in kleinere Membran-Bläschen oder Röhrchen weiterverarbeitet und sortiert. Aber wie entsteht aus einem Stück glatter Membran ein solches Bläschen oder Röhrchen? Ein Protein namens EHD4 fügt dafür quasi die passenden „Abnäher“ in den „Membranstoff“ ein. Das Team von Professor Oliver Daumke vom Max Delbrück Center konnte nun mittels Kryo-Elektronen-Tomographie zeigen, wie diese Abnäher aufgebaut sind: Sie setzen sich aus einer langen Reihe von EHD4-Proteinen zusammen, die eine Faser ausbilden. Jetzt ist auch klar, wie die erforderliche Krümmung in die Membran kommt: Sie wird durch die gekrümmte Form der EHD4-Faser vorgegeben, wie die Forschenden im Fachmagazin „Nature Communications“ schreiben.

Für Letztautor Daumke nahm damit sein längstes Forschungsprojekt einen weiteren Meilenstein: Denn schon als Postdoktorand am „Laboratory of Molecular Biology“ im britischen Cambridge arbeitete er von 2004 bis 2007 an der Strukturaufklärung der EHD-Proteine. Beim Menschen gibt es vier davon, sie sind in Eukaryonten im Laufe der Evolution hochkonserviert geblieben und gehören zu einer Familie molekularer Maschinen. „In der Vergangenheit zeigten zwei Kristallstrukturanalysen, dass EHDs ohne Membranen als Dimere auftreten“, erklärt Daumke, Letztautor der Studie. „In der ersten Struktur haben wir gesehen, dass die zwei Membran-bindenden Domänen des Dimers parallel zueinander stehen, also eine geschlossene Form bilden. In der zweiten Struktur waren sie jedoch voneinander weggedreht und damit in einer offenen Form.“ Wesentlich an der Studie mitgearbeitet hat Erstautor Dr. Arthur Alves De Melo, der bei Daumke bereits 2018 über die offene EHD4-Form promovierte und die aktuelle Arbeit im Anschluss fertig gestellt hat.

Ein eiskaltes Mikroskop liefert scharfe Bilder

Wir stellen uns vor, dass die Fasern wie elastische Gummibänder funktionieren. Sie passen sich offenbar dynamisch an die Krümmung der Röhrchen an.
Oliver Daumke
Oliver Daumke Leiter der AG "Strukturbiologie Membran-assoziierter Prozesse"

Für eine Röntgenstrukturanalyse werden Proteine aufgereinigt und hochreine Einkristalle daraus gezüchtet. Niemand weiß, ob sich ein Protein in seiner Kristallform genauso anordnet wie in einer lebenden Zelle. In welcher der beiden Anordnungen das Dimer tatsächlich vorliegt, wenn es an der Membran gebunden ist, war also völlig unklar. Um dies herauszufinden, nutzten die Forschenden die Kryo-Elektronen-Tomographie. Das ist eine aufstrebende Methode, die auch für heterogene Proben wie Membranröhrchen oder sogar ganze Ausschnitte aus Zellen geeignet ist. Wie bei einer Computertomographie – nur, dass hier die Proben in flüssigem Helium schockgefrostet sind – werden Bilder aus vielen Richtungen aufgenommen und übereinandergelegt, sodass 3D-Bilder entstehen. Damit kann man den Aufbau der beobachteten Strukturen bis auf die Molekülebene rekonstruieren.

Zwar sind die entstehenden Bilder nicht so detailreich wie bei einer Kristallanalyse – zeigten aber hier genau das, was die Forschenden wissen wollten: Das EHD4-Dimer lagert sich in geschlossener Form in langen Fasern auf der Membran ab. „Das Dimer selbst ist in gewisser Weise starr und bildet dann ein gekrümmtes Gerüst aus. Und diese Krümmung wird auf die flache Membran übertragen, die daraufhin in ein Röhrchen deformiert wird“, erklärt Daumke. Keines der beobachteten Röhrchen sah übrigens aus wie das andere; einige waren länger oder hatten einen größeren Durchmesser. Daumke hat eine Theorie, wie die unterschiedlichen Krümmungen zustande kommen: „Wir stellen uns vor, dass die Fasern wie elastische Gummibänder funktionieren. Sie passen sich offenbar dynamisch an die Krümmung der Röhrchen an.“ Am Anfang gäbe es ein großes Membranbläschen, um das sich die Faser wie eine Schlingpflanze windet und dann nach und nach Röhrchen herausschnürt.

Neue Mikroskopie-Technik auf dem Campus Buch

Trotz der vergleichsweise geringen Auflösung sei diese Technik für Daumkes Team zukunftsweisend gewesen. Denn während es schon Tausende Kristallanalysen von eukaryontischen Proteinen gibt, wurden bisher nur etwa 200 Strukturen mittels Kryo-Elektronenmikroskopie erstellt; diese seien allerdings von sehr interessanten, heterogenen Strukturen, wie sie in der Zelle häufig vorkommen. Erst im vergangenen Jahr wurde ein solches Mikroskop auf dem Campus Buch in Betrieb genommen. Es gehört der Charité-Universitätsmedizin Berlin und steht allen Berliner Strukturbiolog*innen zur Verfügung. Das Max Delbrück Center hat eigens ein Gebäude dafür errichtet.

Im Zentrum der Abbildung ist ein Struktur-Modell der EHD4-Filamente gezeigt, die sich in einer helikalen Form um ein durchsichtiges Membranröhrchen anlagern. Im Hintergrund ist eine Kryo-EM Aufnahme zu sehen, auf der das Model beruht. Unten sind zwei Konformationen das EHD4 Dimers gezeigt, die entweder an gekrümmte (links) und flache (rechts) Membranoberflächen binden. Die linke Konformation ist in den Filamenten zu finden.

„Am liebsten würden wir uns diese Strukturen natürlich in der zellulären Umgebung ansehen. Das ging bisher aber nur mit Lichtmikroskopie – also mit noch deutlich geringerer Vergrößerung.“ Mit einer Kombination von Licht- und Elektronenmikroskopie will Daumke nun diese Herausforderung angehen. Aktuell sucht sein Team auch nach Substanzen, die EHDs inhibieren, um die Funktionen, die diese Proteingruppe in der Zelle hat, noch genauer aufklären zu können.

Text: Catarina Pietschmann

 

Weiterführende Informationen

 

Literatur

Arthur A. Melo et al. (2022): „Cryo-electron tomography reveals structural insights into the membrane remodeling of dynamin-like EHD filaments“. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-022-35164-x

 

Kontakte

Prof. Dr. Oliver Daumke
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC)
+49 30 9406-3263
oliver.daumke@mdc-berlin.de

Christina Anders
Redakteurin, Abteilung Kommunikation
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC)
+49 30 9406-2118
christina.anders@mdc-berlin.de oder presse@mdc-berlin.de

 

Max Delbrück Center

 

Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (Max Delbrück Center) gehört zu den international führenden biomedizinischen Forschungszentren. Nobelpreisträger Max Delbrück, geboren in Berlin, war ein Begründer der Molekularbiologie. An den Standorten in Berlin-Buch und Mitte analysieren Forscher*innen aus rund 70 Ländern das System Mensch – die Grundlagen des Lebens von seinen kleinsten Bausteinen bis zu organ-übergreifenden Mechanismen. Wenn man versteht, was das dynamische Gleichgewicht in der Zelle, einem Organ oder im ganzen Körper steuert oder stört, kann man Krankheiten vorbeugen, sie früh diagnostizieren und mit passgenauen Therapien stoppen. Die Erkenntnisse der Grundlagenforschung sollen rasch Patient*innen zugutekommen. Das Max Delbrück Center fördert daher Ausgründungen und kooperiert in Netzwerken. Besonders eng sind die Partnerschaften mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin im gemeinsamen Experimental and Clinical Research Center (ECRC) und dem Berlin Institute of Health (BIH) in der Charité sowie dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK). Am Max Delbrück Center arbeiten 1800 Menschen. Finanziert wird das 1992 gegründete Max Delbrück Center zu 90 Prozent vom Bund und zu 10 Prozent vom Land Berlin.