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Nanophysik Nicht mehr oval, sondern rund: Forscher manipulieren Hefezellen

Autor / Redakteur: Andrea Weber-Tuckermann* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Normalerweise haben Hefezellen eine ovale Form. Einem internationalen Forscher-Team ist es jetzt gelungen, durch Mutation des Hefe-Genoms runde Hefezellen herzustellen.

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Elektronenmikroskopische Aufnahme einer knospenden Hefezelle. Die rot gestrichelte Markierung auf der Knospe deutet die intrazelluläre Verteilung des Polarsioms an. Bei den „angenähten Knöpfen“ handelt es sich um Narben auf der Zellwand der Mutterzelle, an denen frühere Knospen bereits abgetrennt wurden.
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer knospenden Hefezelle. Die rot gestrichelte Markierung auf der Knospe deutet die intrazelluläre Verteilung des Polarsioms an. Bei den „angenähten Knöpfen“ handelt es sich um Narben auf der Zellwand der Mutterzelle, an denen frühere Knospen bereits abgetrennt wurden.
(Bild: Arbeitsgruppe Johnsson, Dr. J. Chollet / Uni Ulm))

Ulm – Hefepilze sind ganz besondere Einzeller, die dem Menschen beim Brotbacken und Bierbrauen wertvolle Dienste leisten. Sie lieben Zucker und können diesen an der Luft zu Kohlendioxid veratmen oder unter Luftabschluss zu Alkohol umwandeln. Wenn Hefepilze „Hunger“ haben und in ihrer Umgebung nach Nahrung suchen, neigen sie zur Kettenbildung. „Das heißt die Zellen, die sich durch Knospenbildung vermehren, reihen sich in einer Richtung aneinander, um sich einer möglichen Nahrungsquelle anzunähern“, erklärt Professor Nils Johnsson, Leiter des Instituts für Molekulare Genetik und Zellbiologie an der Universität Ulm. Dabei kommt ihnen ihre leicht gestreckte und ovale Form zugute.

Warum Hefezellen oval sind

Der Ulmer Wissenschaftler hat gemeinsam mit Institutskollegen und Zellbiologen aus Edinburgh herausgefunden, welche nanophysikalischen Mechanismen dafür sorgen, dass Hefe-Zellen in ihrer Grundform oval sind. Mit einer gezielten Mutation gelang es den Forschern, die Zellform zu verändern: von oval in kugelrund. Über die Mutation konnten die Wissenschaftler schließlich auf den regulären zellbiologischen Mechanismus schließen, der für die gestreckte Grundform der Hefezelle verantwortlich ist.

Dr. Alexander Dünkler (l.) und Prof. Nils Johnsson vom Institut für Molekulare Genetik und Zellbiologie an der Universität Ulm
Dr. Alexander Dünkler (l.) und Prof. Nils Johnsson vom Institut für Molekulare Genetik und Zellbiologie an der Universität Ulm
(Bild: Elvira Eberhardt / Universität Ulm)

„Hefen sind einzellige Pilze, die sich durch die so genannte Sprossung vermehren. Das heißt, an der Mutterzelle bildet sich eine Tochter-Knospe. An der Stelle, an der die Tochter-Knospe aussprosst, werden neue Zellwände gebildet, die die neu geborene Hefezelle umschließen. Diese Zell-Teilungs- und Wachstumsprozesse verlaufen am sogenannten Polarisom. Der Begriff bezeichnet ein „quirliges“ Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk, das unterhalb der Zellmembran an der Wachstumsspitze der Hefe-Zelle sitzt. Das Polarisom bildet das Zielfeld für Vesikel, die neues Material für das Wachstum der äußeren Zellwand und der inneren Zellmembran liefern.

„Ist das Zielfeld kompakt und stabil wie eine Kappe, wächst die Zelle an diesem Punkt gerichtet in die Länge“, erläutert Dr. Alexander Dünkler. Der Erstautor der Studie ist Postdoktorand an Johnssons Institut.

Punktmutation im Motorprotein kappt Verbindung zum Polarisom

Für ihre Hefe-Studie hat das Forscherteam eine Punktmutation in das Genom der Hefe eingeführt, die dafür sorgt, dass die von ihnen entdeckte Verbindung zwischen Motorprotein (Typ V Myosin) und Polarisom getrennt wird. Als Folge ist das Polarisom über die gesamte Membran der sprossenden Hefezelle verteilt, und die Knospe wächst gleichmäßig rund. „Das bedeutet im Umkehrschluss, dass die Interaktion mit dem Motorprotein eine Schlüsselrolle bei der intrazellulären Selbstorganisation des Polarisoms spielt und damit letztendlich auch die Zellform entscheidend beeinflussen kann“, so Dünkler.

Polarisomnanopartikel wandern auf Aktinfilamenten aufeinander zu. Der Ausschnitt zeigt ein Polarisomnanopartikel (bunt) unterhalb der Zellmembran (grau-gelb geschichtet), der sich mit Hilfe von Motorproteinen (blau) an den Aktinfilamenten (dunkelgrau) entlanghangelt.
Polarisomnanopartikel wandern auf Aktinfilamenten aufeinander zu. Der Ausschnitt zeigt ein Polarisomnanopartikel (bunt) unterhalb der Zellmembran (grau-gelb geschichtet), der sich mit Hilfe von Motorproteinen (blau) an den Aktinfilamenten (dunkelgrau) entlanghangelt.
(Bild: Dünkler et al., 2021, JCB)

Die subzellulären Mechanismen dieser Interaktion beschreiben die Wissenschaftler so: Motorproteine bewegen die so genannten Polarisom-Nanokomplexe entlang von Aktinfilamenten – wie auf Schienen – hin- und her, bis die perfekte „Park-Position“ unterhalb der Membran gefunden ist. Das Erstaunliche: jeder Polarisom-Nanokomplex hat selbst auch die Fähigkeit, Aktinfilamente zu bilden, auf denen ein weiterer Polarisom-Nanokomplex ankoppeln kann. Über diesen Verstärkungsmechanismus entwickelt sich eine Dynamik, die dazu führt, dass die kompakte Struktur des Polarisoms gleichzeitig stabil und anpassungsfähig bleibt.

Vorhersagen für die Experimente durch biophysikalisches Modell

Um die Nanomechanismen zu aufzuklären, die für diese intrazellulären Prozesse und Mikrostrukturen verantwortlich sind, haben die Ulmer Wissenschaftler mit der Hilfe von Professor Andrew B. Goryachev, Systembiologe an der Universität Edinburgh, ein biophysikalisches Modell entwickelt und am Computer realisiert. Die daraus abgeleiteten Vorhersagen konnten schließlich experimentell bestätigt werden.

Computersimulation der Polarisombildung. Die zuerst auf der Membran gleichmäßig verteilten Polarisomnanopartikel (rot, linke Hälfte) verdichten sich durch die Ausbildung von Aktinfilamenten und ihre Bewegung auf diesen in eine fokussierte Polarisom-Struktur (rechte Hälfte). Die blauen Linien stellen die Aktinfilamente dar.
Computersimulation der Polarisombildung. Die zuerst auf der Membran gleichmäßig verteilten Polarisomnanopartikel (rot, linke Hälfte) verdichten sich durch die Ausbildung von Aktinfilamenten und ihre Bewegung auf diesen in eine fokussierte Polarisom-Struktur (rechte Hälfte). Die blauen Linien stellen die Aktinfilamente dar.
(Bild: Dünkler et al., 2021, JCB)

„Der von uns beschriebene Mechanismus zur Selbstorganisation eines Proteinnetzwerks sollte recht generell sein. Das heißt, er gilt auch für ganz ähnliche Proteinkomplexe, die als Zielfelder für Transport-Vesikel in anderen Organismen fungieren“, sind sich die Wissenschaftler aus Ulm und Edinburgh sicher. Gefördert wurde dieses Projekt zur zellbiologischen Grundlagenforschung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Originalpublikation: Alexander Dünkler, Marcin Leda, Jan-Michael Kromer, Joachim Neller, Thomas Gronemeyer, Andrew B. Goryachev, and Nils Johnsson, Type V Myosin focuses the polarisome and shapes the tip of yeast cells; Journal of Cell Biology, March 3 2021, doi: 10.1083/jcb.202006193

* A. Weber-Tuckermann, Universität Ulm, 89081 Ulm

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