Schneideproteinen in Zellen haben Unterstützung Flüssigkeitströpfchen erfüllen wichtige Schnitt-Funktion in der Zellmembran

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Zellen tauschen untereinander Informationen aus und müssen dafür immer wider ihre Membran aufschneiden. Dabei helfen spezialisierte Proteine – doch nicht nur, wie ein internationales Team nun zeigt. So gibt es einen Mechanismus, bei dem kleine zelluläre Flüssigkeitströpfchen diese Schneidarbeit erfüllen.

Ob Grashalm, Ameise, Maus oder Mensch, sie alle bestehen aus Zellen. Diese Grundbausteine von Pflanzen und Organismen sind durch Membranen in viele kleine, spezialisierte Teilbereiche aufgeteilt, zwischen denen ständig zelluläre Materialien und Moleküle ausgetauscht werden müssen. Mechanismen, die diese Membranen überwinden, wurden bisher hauptsächlich der Arbeit von spezialisierten Schneideproteinen zugeschrieben. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Roland Knorr am Zentrum für Biochemie der Universität zu Köln zeigt nun zusammen mit einem internationalen Team, wie kleine zelluläre Flüssigkeitströpfchen, so genannte biomolekulare Kondensate, Membranen auch ohne diese spezialisierten Schneideproteinen überwinden können. Dieser neuentschlüsselte Prozess ist essenziell für das Überleben von Pflanzen.

Physikalische Schnittarbeit in der Zellmembran

„Kondensate kann man sich etwa wie ein Tropfen aus Wasser vorstellen. Wie ein Wassertropfen auf einer Glasoberfläche legt sich das Kondensat auf die Membran“, erklärt Studienleiter Knorr Dieser Prozess wird „benetzen“ genannt. Da es sich bei einer Membran im Gegensatz zu Glas um ein sehr weiches Material handelt, führt die Benetzung durch das Kondensat dazu, dass sich die Membran verformt und das Tröpfchen umschließt. Eine Teamarbeit mit Kollegen aus Peking, London, Freiberg, Tokio sowie Hongkong zeigt nun, dass diese Benetzung auch zum Abschneiden der Membran führen kann. „Im Gegensatz zu bisherigen Annahmen sind dafür weitere, spezialisierte Schneideproteine nicht notwendig“, sagt Prof. Dr. Xiaofeng Fang von der Tsinghua Universität in Peking, der die Studie zusammen mit Knorr leitete.

Um dies nachzuweisen, untersuchte das Team das Benetzungsverhalten eines spezifischen Kondensates aus dem Protein FREE1, das für das Überleben der Pflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) unabdingbar ist. Mithilfe einer Kombination aus umfangreichen Laborexperimenten, einem mathematischen Modell und Computersimulationen zeigten die Forscher zeigen, dass Kondensate große Kapillarkräfte auf Membranen ausüben können. Damit wird das Kondensat nicht nur von einem Teil der Membran umschlossen, sondern schließlich auch zur gegenüberliegenden Seite hin abgeschnürt. Somit gelangt das Kondensat von einem Teil der Zelle in einen anderen und die Membran wird dabei in zwei Teile geschnitten.

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Zelluläre Schere funktioniert ohne Schneideproteine

Kondensate in Zellen sind sehr klein und die Simulationen haben gezeigt, dass die Membranverformung nur Bruchteile von Sekunden dauert. Da es schwierig ist, diesen Prozess in lebenden Zellen zu verfolgen, haben die Wissenschaftler den Schneidevorgang im Reagenzglas nachgebaut.

Dafür wurde das Protein FREE1 aus Zellen isoliert und im Labor gereinigt. Auch ohne Zelle bildet das Protein FREE1 Kondensate. Diese wurden anschließend mit künstlich hergestellten, zellähnlichen Membranen in Kontakt gebracht. „In diesem Experiment liegen keine weiteren zellulären Komponenten wie Schneideproteine vor. Damit konnten wir eindeutig zeigen, dass FREE1-Kondensate ausreichend sind, um Membranen zu schneiden“, erklärt Dr. Katharina Sporbeck, Koautorin und Postdoktorandin in Knorrs Arbeitsgruppe.

Die aktuelle Studie zeigt zusätzlich, dass Scherenkondensate auch in Zellen von Säugetieren funktionieren, dass sie das Fehlen von spezialisierten Schneideproteinen ersetzen können und dass die Kondensat-Membran-Benetzung ein essenzieller Prozess für die zelluläre Stressbewältigung darstellt. „Damit ist es denkbar, dass Scherenkondensate in verschiedenen medizinisch relevanten Prozessen eine wichtige Rolle spielen“, sagt Knorr. „Die Autophagie zum Beispiel, ein zellinterner Recyclingprozess, ist wichtig bei Alterungsprozessen, in der Entwicklung von Krebs und für die Immunantwort. Jetzt arbeiten wir daran zu verstehen, welche Scherenkondensate Autophagie beeinflussen.“

Originalpublikation: Wang, Y., Li, S., Mokbel, M. et al.: Biomolecular condensates mediate bending and scission of endosome membranes, Nature (2024); DOI: 10.1038/s41586-024-07990-0

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