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Intrazellulärer Vesikeltransport

Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2013

Den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin teilen sich in diesem Jahr James E. Rothman, Randy W. Schekman und Thomas Südhof für die Erforschung der Maschinerie, die den Vesikeltransport innerhalb unserer Zellen reguliert. Ihre Erkenntnisse erklären auf molekularer Ebene die Entstehung zahlreicher, teilweise erblicher Krankheiten.

Der Vesikeltransport von einem Zellkompartiment zum andern bzw. von und zu der Plasmamembran ist lebenswichtig, denn nur so kann die Zelle durch Endozytose mit Nährstoffen versorgt werden und ihre Aufgaben erfüllen, z.B. Hormone, Botenstoffe und Proteine des Blutplasmas sezernieren. Wenn diese Transportprozesse nicht reibungslos funktionieren, sind Stoffwechselkrankheiten die Folge. Auch die lähmende Wirkung von zwei bakteriellen Toxinen beruht auf Störungen des Vesikeltransports, und zwar im Zusammenhang mit der Freisetzung von Neurotransmittern an Synapsen von Nervenzellen: Das Toxin von Clostridium botulinum verhindert die Acetylcholinfreisetzung an der motorischen Endplatte – dadurch entsteht Botulismus –, und das Toxin von C. tetani verhindert die Freisetzung der inhibitorischen Neurotransmitter GABA und Glycin – das ist die Ursache für den Wundstarrkrampf.Dass die Zellkompartimente des Sekretionswegs (Endoplasmatisches Retikulum, kurz ER, und Golgi-Apparat) und des Endozytosewegs durch Vesikeltransport untereinander und mit der Plasmamembran verbunden sind, war bereits durch mikroskopische Untersuchungen zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt. Aber wie dieser Prozess auf molekularer Ebene abläuft und reguliert wird, d.h. wie sich Transportvesikel an einer Membran bilden, dort ihre Fracht aufnehmen, dann den Weg zu ihrer Zielmembran finden und schließlich zum richtigen Zeitpunkt mit dieser fusionieren – das alles konnte erst in den letzten 35 Jahren dank der bahnbrechenden Arbeiten der drei Laureaten aufgeklärt werden.

Sec-Proteine

Randy Schekman (geb. 1948 in St. Paul, MN/USA) von der University of California in Berkeley wählte einen systematischen genetischen Ansatz und experimentierte mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae, die sich leicht im Labor kultivieren und durch Mutagenese manipulieren lässt. Mit seiner Arbeitsgruppe identifizierte und charakterisierte er mehr als 50 Proteine, deren Funktion für den Ablauf der Sekretion essenziell ist. Wenn eines dieser sog. Sec-Proteine defekt ist, wirkt sich dies auf die Vesikelbildung oder Vesikelfusion aus: Es häufen sich entweder mit Transportfracht überladene ER- bzw. Golgi-Membranen (bei defekter Vesikelbildung) oder unzählige Transportvesikel (bei defekter Vesikelfusion) in der Zelle an (Abb. 1). Deshalb konnte durch mikroskopische Untersuchungen der Wirkort der einzelnen Sec-Proteine eingegrenzt werden.

EM-Bilder: Peter Novick
Abb. 1: Hefezellen mit normaler Morphologie (a), mit Anhäufung nicht fusionierter Vesikel (Ves; b), mit aufgeblähtem Endoplasmatischem Retikulum (ER; c) und mit aufgeblähtem Golgi-Apparat (G; d). N = Zellkern, NM = Kernmembran, NP = Kernpore.

SNARE-Proteine

Wie die Sec-Proteine funktionell zusammenwirken, wurde mit In-vitro-Experimenten untersucht, bei denen entweder aus Zellen isolierte Membranen oder Liposomen, d.h. synthetische Vesikel mit chemisch definierter Lipidzusammensetzung, verwendet wurden, um einzelne Transportschritte nachzustellen. Diesen Weg verfolgte mit Zellen von Säugetieren erstmals James Rothman (geb. 1955 in Haverhill, MA/USA) von der Yale University (New Haven, CT/USA). Indem er die Zusammensetzung der eingesetzten Zellfraktionen variierte, fand er heraus, welche Proteine die Transportprozesse steuern und welche Kofaktoren benötigt werden (z.B. Adenosintriphosphat als Energielieferant). Eine wichtige Erkenntnis aus seiner Arbeitsgruppe betrifft die Erkennung der Zielmembran durch eine spezifische Protein-Protein-Wechselwirkung. Dafür tragen die Transportvesikel als Adressierungssignal jeweils ein bestimmtes Mitglied aus der Familie der v-SNARE-Proteine (v = Vesikel), das selektiv nur an ein passendes Mitglied der Familie der t-SNARE-Proteine (t = Target, Ziel) auf der Zielmembran binden kann (SNARE = soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptor). Diese Interaktion nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip öffnet den Weg für die Fusion, d.h. die Verschmelzung von Vesikel- und Zielmembran (Abb. 2).

Dank verbesserter Methoden der Nucleinsäuren- und Proteinanalytik stellte sich heraus, dass die Transportmaschinerie bei der Hefe und bei Säugetieren weitgehend nach demselben Prinzip arbeitet. Einige der beteiligten Proteinkomponenten sind sogar so ähnlich, dass ein defektes Sec-Protein der Hefe durch das homologe Protein aus einem Säugetier ersetzt werden kann und umgekehrt. Daraus resultierte eine äußerst fruchtbare Konvergenz der beiden Forschungsrichtungen, und auch das Team um Schekman publiziert immer mehr Beiträge aus dem Bereich der humanen Pathophysiologie.

Abb. 2: Funktion verschiedener SNARE-Proteine beim Bilden (links), Transport und der Fusion von Vesikeln. Nach: B. Alberts et al.: Molekularbiologie der Zelle. 5. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim 2011.

Steuerung von Sekretion und Fusion

Thomas Südhof (geb. 1955 in Göttingen) von der Stanford University (CA/USA) befasste sich unter anderem mit der zeitlichen Steuerung der Sekretion von Neurotransmittern an der Synapse. Diese stehen in Vesikeln der präsynaptischen Zelle auf Abruf bereit und werden erst freigesetzt, wenn das steuernde Signal eines Nervenimpulses den Startschuss gibt. Diese sog. regulierte Sekretion findet sich auch bei Hormone-produzierenden Zellen, während beispielsweise Leberzellen ziemlich kontinuierlich Plasmaproteine sezernieren.

Südhof konnte aufklären, wie der durch den Nervenimpuls ausgelöste Einstrom von Calcium-Ionen in das Zytoplasma die Vesikelfusion steuert: Die mit Neurotransmittern beladenen Sekretvesikel finden über die v-SNARE/ t-SNARE-Bindung ihren Weg zur präsynaptischen Membran, werden dort aber zunächst durch ein besonderes Protein der Nervenzellen, das Complexin, festgeklammert. Complexin verhindert die Fusion so lange, bis es von dem Calcium-bindenden Protein Synaptotagmin 1 verdrängt wird. Synaptotagmin 1, dessen Aktion durch Ca++ reguliert wird, fungiert also als molekularer Schalter, der auf das Signal des Nervenimpulses hin die Fusionsmaschinerie aktiviert.

Konsequenzen für die Medizin

Die Arbeiten der drei Laureaten haben Grundlagen geschaffen, die unsere heutige Sicht des intrazellulären Vesikeltransports wesentlich geprägt haben. Doch ihre Verdienste gehen weit über die zellbiologische Grundlagenforschung hinaus. Die von ihnen und zahlreichen renommierten Labors in aller Welt erstellten Konzepte erklären mittlerweile immer mehr durch Transportdefekte bedingte, auch erbliche Erkrankungen – von Störungen des Lipidstoffwechsels über Bluterkrankheiten bis hin zu Skelettanomalien. 

Dr. Annette Hille-Rehfeld

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