Einblicke in Physik lebender Systeme Die innere Mitte finden: Proteine bestimmen Linie der Zellteilung

Schon bei der ersten Zellteilung entscheidet sich, wo in einem Organismus oben und wo unten ist. Doch wie kontrolliert die Zelle das? Forscher der Universität München haben nun herausgefunden, dass Proteine die Richtung der ersten Zellteilung in Fadenwurm-Embryonen steuern.

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Ludwig-Maximilians- Universität München

München – Die richtige Verteilung von Proteinen in der Zelle ist für viele biologische Prozesse essenziell. Die Zellteilung und das Wachstum etwa werden durch Proteinmuster gesteuert, die die Orientierung der Zellteilung und den Teilungsort festlegen. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die erste Zellteilung bei dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans, einem gängigen Modellorganismus vor allem in der Entwicklungsbiologie.

Diese erste Teilung wird durch so genannte PAR-Proteine reguliert. Solche lebenswichtigen Prozesse müssen stabil ablaufen. Der LMU-Biophysiker Erwin Frey hat nun mit seinem Team zwei entscheidende Mechanismen identifiziert, die die robuste Ausrichtung des PAR-Protein-Musters entlang der langen zellulären Achse möglich machen.

Proteine legen Ort von Kopf und Hinterteil fest

Der längliche Fadenwurmembryo wird bei seiner ersten Teilung in eine Kopf- und eine hintere Zelle geteilt. Dabei legen die PAR-Proteine fest, wo im Embryo vorne und wo hinten ist, indem sie ein Muster auf der Zellmembran bilden: Eine Gruppe der PAR-Proteine, die anterior PARs (aPARs), siedeln sich an einem Zellpol an und legen dadurch die Vorderseite fest. Die ander Proteingruppe, die posterior PARs (pPARs), binden an den gegenüberliegenden Zellpol und legen damit die Hinterseite fest.

Kurz nach der Befruchtung sind allerdings alle PAR-Proteine noch gleichmäßig in der Zelle verteilt, denn sie können dort frei diffundieren und prinzipiell überall an die Zellmembran binden. Irgendwie muss die Zelle ihre Proteine also ordnen. „Wir haben nun mit mathematischen Modellen und numerischen Simulationen untersucht, welche Mechanismen zur Musterbildung führen und welche Mechanismen das Muster in einer bestimmten Achse in zellulärer Geometrie ausrichten“, sagt Raphaela Geßele, Doktorandin in Freys Team und Erstautorin der Arbeit.

Wie empfindlich sind die Prozesse in unseren Zellen?

Robuste Musterbildung von Proteinen bei der Zellteilung

Wie die Proteine die „Enden“ der Zelle finden

Dabei zeigte sich, dass chemische Zyklen zwischen phosphorylierten und dephosphorylierten Zuständen eine entscheidende Rolle spielen: Die PAR-Proteine binden an die Zellmembran, so wie ein Schwimmer sich am Rand des Beckens festhält. Die beiden Proteintypen für den vorderen und hinteren Zellteil können sich allerdings gegenseitig verdrängen, indem sie der jeweils anderen Gruppe eine Phosphorylgruppe anhängen. Wie ein Schwimmer, dem ein riesiger Wasserball in die Hände gedrückt wird, treiben die phosphorylierten Proteine dann von der Zellmembran weg. Im Zellinneren werden die losgelösten Proteine wieder dephosphoryliert – verlieren also ihren „Wasserball“ – und können sich erneut an die Zellmembran klammern.

Wie die Forscher entdeckten, ist die Verzögerung des erneuten Membranbindens nach Loslösen entscheidend dafür, dass sich die Proteine korrekt entlang der langen Zellachse ausrichten.

Zwei Mechanismen helfen bei der Proteinordnung

Wie läuft nun die richtungweisende Proteinanordnung vor der Zellteilung ab? An den Polen treffen Proteine aufgrund der Zellgeometrie häufiger auf die Membran auf. Je nachdem, ob die Proteine länger in einem phosphorylierten Zustand bleiben oder nicht, gewinnt dort schnell eine Proteinsorte die Überhand: „Die Loslösung von der Membran geschieht proportional dazu, wie viele Proteine einer Sorte bereits auf der Membran sind. Sobald eine Proteinsorte auf der Membran am Pol die Oberhand gewonnen hat, bildet sich dort eine stabile Domäne aus, und die andere Proteinsorte hat keine Chance mehr“, sagt Erstautorin Geßele.

Die Musterbildung entlang der langen Achse des ellipsoiden Fadenwurm-Embryos wird noch durch einen weiteren Effekt unterstützt. Denn aus energetischen Gründen versucht die Zelle den Übergangsbereich zwischen der aPAR- und der pPAR-Domäne, wo sich beide Proteingruppen auf der Membran gegenseitig stören, möglichst klein zu halten. Dies ist dann der Fall, wenn die beiden Domänen jeweils einen Zellpol einnehmen und damit der Übergangsbereich zwischen den Domänen minimiert wird. „Die Polarisation von Zellen spielt in vielen biologischen Systemen eine entscheidende Rolle“, sagt Teamleiter Frey. „Unsere Ergebnisse ermöglichen neue Einsichten in die Mechanismen, mit denen die Zelle diese grundlegenden Prozesse reguliert.“

Originalpublikation: Raphaela Geßele, Jacob Halatek, Laeschkir Würthner & Erwin Frey: Geometric cues stabilise long-axis polarisation of PAR protein patterns in C. elegans, Nature Communications volume 11, Article number: 539 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14317-w

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