Zellphysiologie Proteinketten stabilisieren die Zellmembran

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Max-Delbrück-Centrum für molekulare Medizin

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Spezielle Proteinketten sorgen für mehr Stabilität der Zellmembran. Forscher des Max Delbrück Centers haben mithilfe von Kryoelektronenmikroskopie die Struktur dieser Kette und deren Funktionsweise im Laborversuch aufgeklärt.

Die Membranen unserer Zellen haben viele Funktionen. Sie sind nicht nur ein mechanischer Schutz, sondern kontrollieren auch, welche Substanzen in die Zellen hinein- oder aus ihnen herausgelangen. Kommen sie diesen Aufgaben nicht nach, drohen Krankheiten. Entsprechend komplex ist ihr Aufbau: Die äußere Zellmembran weist zum Beispiel oft flaschenförmige Einstülpungen auf, die so genannten Caveolae. Sie schützen unter anderem die Zellen der Blutgefäße, die häufig starken mechanischen Kräften ausgesetzt sind. Zudem dienen die Caveolae als Signalzentren, die beispielsweise helfen, den Blutdruck zu regulieren. Auch Nährstoffe, vor allem Fettsäuren, nehmen die Zellen über sie auf.

Forschende des Max Delbrück Center (MDC) haben jetzt herausgefunden, wie sich die Caveolae, die in fast allen Zellen unseres Körpers vorkommen, stabilisieren. „Eine Kette aus Proteinmolekülen wickelt sich um den Hals der flaschenförmigen Strukturen, um ihn zu stützen“, erklärt Prof. Oliver Daumke, Leiter der Arbeitsgruppe „Strukturbiologie Membran-assoziierter Prozesse“. Gemeinsam mit Prof. Misha Kudryashev, dem Leiter der Arbeitsgruppe „In Situ Structural Biology“, hat Daumke die Struktur dieser Kette nun aufgeklärt. Schon früher hatte er gezeigt, dass die Caveolae ohne das Protein EHD2, aus dem die Kette besteht, nicht sicher in der Zellmembran verankert sind.

Die neue Studie könne zum Beispiel helfen, die Fettaufnahme von Zellen zu regulieren und so Störungen des Fettstoffwechsels künftig besser zu behandeln, hoffen die Autoren.

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Eine Kette mit vielen Gliedern

Kudryashev hat zusammen mit seinem Team neue Methoden der Kryo-Elektronenmikroskopie entwickelt. Damit konnten die Forschenden nun zeigen, dass sich jeweils zwei Moleküle des Proteins EHD2 zu einem Dimer zusammentun und so die einzelnen Kettenglieder bilden. „Bestimmte Teile dieser EHD2-Ringe heften sich dann aneinander, sodass eine Kette entsteht“, erklärt Erstautorin Dr. Elena Vázquez-Sarandeses, ehemalige Doktorandin in Daumkes Team. „Wir konnten beobachten, wie sie sich um die schlauchförmigen Membranstrukturen gewickelt hat, die wir in unseren Experimenten verwendet haben.“

EHD2 ist ein Protein, das sich aus 540 Aminosäuren zusammensetzt. Wie die Forschenden jetzt festgestellt haben, dienen die ersten 19 Aminosäuren als eine Art Abstandshalter. Er stellt sicher, dass sich immer nur eine Kette um den Hals der Einstülpungen wickelt. „Ohne ihn lagern sich mehrere nebeneinander an, wodurch die Caveolae ihre typische Form und Funktion verlieren“, berichtet Daumke. Gemeinsam mit seinen Kollegen hat der Forscher beobachtet, wie die Flaschenhälse ohne funktionierende EHD2-Ketten immer dünner und länger wurden und sich schließlich von der Zellmembran ablösten.

„Diese Studie war technisch sehr anspruchsvoll. Aber sie hilft zu verstehen, wie Proteine zusammenfinden, um eine bestimmte Aufgabe in der Zelle zu übernehmen – wie also aus molekularen Funktionen zelluläre Funktionen werden“, ergänzt der Wissenschaftler. Dies sei ein wichtiger Schwerpunkt der Helmholtz-Forschung.

Direkter Nachweis in lebenden Zellen steht aus

Als Nächstes wollen die Wissenschaftler versuchen, die EHD2-Ketten in lebenden Zellen sichtbar zu machen – direkt am Hals einer Caveola. „Wenn das gelingt, werden wir uns die Proteinketten auch in Zellen mit veränderter Caveolae-Funktion anschauen. Dann verstehen wir vielleicht die daraus resultierenden Krankheiten besser“, kündigt Daumke an.

Davon gibt es viele: Neben Fettstoffwechselstörungen können fehlerhafte Caveolae unter anderem Erkrankungen der Muskeln, der Gefäße, des Herzens, der Lunge und der Niere hervorrufen. „Ohne die Einstülpungen halten die Zellen mechanischen Belastungen schlechter stand. Auch Signalprozesse können sie weniger gut regulieren“, erläutert Daumke. „Daher sind Gewebe wie Muskeln, Herz und Blutgefäße, die ständigem Stress ausgesetzt sind, besonders anfällig.“

Originalpublikation: Elena Vázquez-Sarandeses, Vasilii Mikirtumov, Jeffrey Noël, et al.: „Structures of EHD2 filaments on curved membranes provide a model for caveolar neck stabilization“, Nature Communications 17, 7621 (2026); DOI: 10.1038/s41467-026-76288-8