Gefroren: Spitzentechnologie enthüllt Strukturen in Zellen, die bisher nur erahnt werden konnten

0

Neue Methoden ermöglichen Wissenschaftlern am IST Austria einen Blick in das Innerste von Zellen: Hochauflösende Bilder von tiefgefrorenen Zellen zeigen Strukturen, die bisher nur erahnt werden konnten.
Die Zellen in unserem Körper sind in Bewegung. Manche wandern von A nach B, um Wunden zu heilen oder Krankheitserreger zu bekämpfen.

Das tun sie mit Hilfe von kleinen “Füßen” an der Vorderkante der wandernden Zellen, sogenannten Lamellipodien.

Diese dünnen Fortsätze werden nach vorne geschoben und heften sich an die Oberfläche, während der Rest der Zelle mitgezogen wird.

Im Inneren dieser Füße befindet sich ein dichtes Netzwerk aus miteinander verwobenen Proteinfäden, den sogenannten Aktinfilamenten, die das Zytoskelett der Zelle bilden. Bislang war unklar, wie der Arp2/3-Komplex, eine Ansammlung von sieben für die Zellmotilität zentralen Proteinen, aus bereits vorhandenen neue Aktinfilamente absprossen und so dichte, verzweigte Netzwerke erzeugen kann, die der Zelle die nötigen Vorschubkräfte liefern.

Schwierige Entscheidungen
Bislang mussten sich die Wissenschaftler entscheiden, wann sie die Struktur des Arp2/3-Komplexes analysieren wollten: Eine Möglichkeit war, ihn isoliert zu untersuchen, wobei sich der Proteinkomplex in einer inaktiven Konformation befindet und somit kein Verständnis für die Bildung des Netzwerks zulässt.

Um jedoch vollständig aktiviert zu werden, muss der Arp2/3-Komplex an Aktinfilamente gebunden sein.

Dazu muss eine Methode namens Elektronentomographie verwendet werden, die den Preis einer deutlich geringeren Auflösung hat. “Bisherige Elektronentomographie-Daten von Arp2/3-Komplexen, die an Aktinfilamente in einer Reagenzglasumgebung gebunden sind, waren zu ungenau und machten es unmöglich, eindeutig zu sagen, wo sich die einzelnen Elemente des Komplexes befinden müssen”, erklärt Florian Fäßler, ein Postdoc in der Gruppe von IST Austria Professor Florian Schur.

Seit mehr als zwei Jahren sucht er nach einer Möglichkeit, den Proteinkomplex in seiner natürlichen Umgebung so darzustellen, dass die einzelnen Strukturen genau analysiert werden können. Jetzt ist es ihm gelungen. Er bildete den Komplex innerhalb von Lamellipodien von Mäusezellen in seiner aktiven, an Aktin gebundenen Konformation ab. “Wir haben uns gesagt: Okay, wir gehen in die Zelle hinein, wo die Umgebung viel komplizierter ist, weil es nicht nur den Proteinkomplex und Aktinfilamente gibt, sondern auch alle möglichen anderen Dinge.

Aber nur so konnten wir dieses Netzwerk so erhalten, dass wir seine Struktur bestimmen konnten”, sagt der Molekularbiologe Florian Schur.
Schockgefrorene Zellen
Möglich wurde dies durch Temperaturen von minus 196 Grad Celsius.

Innerhalb von Millisekunden froren die Forscher die Proben ein – zu schnell, als dass sich Eiskristalle hätten bilden können, die die feinen Strukturen der Zelle zerstört hätten.

Anschließend nutzten sie eines der leistungsfähigsten Kryo-Elektronenmikroskope – und das einzige seiner Art in Österreich -, um die Zellen aus verschiedenen Blickwinkeln mittels Kryo-Elektronentomographie abzubilden.

Dabei sammelte das Team genügend Daten für die 3D-Rekonstruktion von über 10.000 Arp2/3-Komplexen in ihrem aktiven Zustand.

Kombiniert mit fortschrittlicher Bildverarbeitung generierten sie dann ein 3D-Modell des Arp2/3-Komplexes mit einer Auflösung von weniger als einem Nanometer.

Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 50.000 Nanometer dick. “Wir können jetzt relativ genau beschreiben, wie der Proteinkomplex und seine Untereinheiten aufgebaut sind und wie sie das Aktinfilament-Netzwerk im Inneren des Lamellipodiums von bisher lebenden Zellen bilden”, sagt Florian Fäßler. “Vor fünf Jahren hätte wahrscheinlich niemand gedacht, dass das möglich ist”, ergänzt Schur.
Bis an die Grenze
Aufgrund der fortgeschrittenen Methodik konnte das Team ein früheres Modell widerlegen, das von viel größeren Flächenverbindungen zwischen Arp2/3-Komplex und Aktinfilamenten ausgegangen war. Dafür bestätigten die Wissenschaftler andere Aspekte, wie dieser Komplex reguliert wird und neue Aktinfilamente bildet.

Mit diesem Wissen können andere Wissenschaftler nun die Regulation und Aktivität dieses wichtigen Proteinkomplexes in seinen vielfältigen Rollen über die Zellmotilität und die Entstehung von Krankheiten hinaus besser verstehen. “Was wir getan haben, ist, so weit zu gehen, wie es bei solch komplexen Proben in Bezug auf Methodik und Auflösung derzeit möglich ist.

Mit der aktuellen Auflösung haben wir neue biologische Erkenntnisse gewonnen, aber es war auch ein methodischer Fortschritt zu zeigen: Es ist möglich”, sagt Schur begeistert.

Florian Fäßler will die Methode nun noch weiter verbessern, um andere Proteine sichtbar zu machen und zu erforschen, wie weit man mit der Methode ins Innere einer Zelle sehen kann. “Wir fangen gerade erst an, das volle Potenzial der Kryo-Elektronentomographie auszuschöpfen”, sagt Schur.
Credit: “Cryo-electron tomography structure of Arp2/3 complex in cells reveals new insights into the branch junction” von Florian Fäßler, Georgi Dimchev, Victor-Valentin Hodirnau, William Wan und Florian K. M. Schur, 22. Dezember 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-20286-x
Finanzierung: Österreichischer Wissenschaftsfonds (FWF), Georgi Dimchev, Florian Schur.

Share.

Leave A Reply