02.06.2009

Geschüttelt, nicht gerührt

Wie ein Motorprotein den Zellkern periodisch schüttelt und damit hilft, das Erbgut zu mischen



Wie ein Motorprotein den Zellkern periodisch schüttelt und damit hilft, das Erbgut zu mischen

Bei der sexuellen Fortpflanzung werden die elterlichen Gene im Zellkern der befruchteten Eizelle vermischt. Dafür muss der Zellkern bewegt werden. Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik und dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme haben nun einen Auslöser dieser Zellkernbewegungen, das Motorprotein Dynein, direkt in lebenden Zellen beobachtet. Sie machten die Verteilung von Dynein in Hefezellen und seine Bindung an Mikrotubuli, röhrenartige Strukturen des Zytoskeletts, sichtbar. Diese dienen als Schienen, auf denen Dynein-Proteine wie viele kleine Lokomotiven entlangfahren, und heften sich auch an den Zellkern. Die Motorproteine verteilen sich entlang der Mikrotubuli und als Resultat wird der Zellkern abwechselnd in einander entgegengesetzte Richtungen bewegt. Diese Schüttelbewegung ist also das Ergebnis unterschiedlicher Dyneinkonzentrationen: Der Zellkern wird immer in die Richtung gezogen, in der sich gerade mehr Dyneinmotoren befinden.



Abb.: Ein Zellkern kann auf unterschiedliche Weisen bewegt werden: Er kann geschoben (a) oder gezogen (b) werden oder gleiten (c-d). Grün dargestellt sind dabei die Mikrotubuli, orange der Zellkern und blau das Dynein. (Bild: MPI für molekulare Zellbiologie und Genetik)


Die Meiose ist ein notwendiger Bestandteil sexueller Fortpflanzung. Eizelle und Spermium verschmelzen, das Erbgut der väterlichen und mütterlichen Zelle wird durchmischt und rekombiniert. Dadurch wird die genetische Diversität erhöht. In der Spalthefe und anderen Organismen erfordert der Prozess der Rekombination eine abgestimmte Bewegung des Zellkerns, der die Chromosomen mit dem Erbgut enthält. Der Zellkern bewegt sich in der Zelle vor und zurück, angetrieben von molekularen Motorproteinen und mithilfe von Proteinpolymeren, die als Mikrotubuli bekannt sind. Ein Team von Wissenschaftlern der zwei Max-Planck-Institute in Dresden - dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik und dem Institut für Physik komplexer Systeme -, hat jetzt erstmals die dynamische Verteilung des Motorproteins Dynein auf den Mikrotubuli in einer lebenden Zelle beobachtet. Die unterschiedliche Verteilung der Dynein-Motoren erzeugt eine Asymmetrie der Kräfte, die zu Bewegungen des Zellkerns führen. Durch diese Bewegungen wird das genetische Material durcheinander geschüttelt und so vermischt. Als Modellsystem benutzten die Wissenschaftler die einzellige Spalthefe, die sich durch ihre relativ einfache genetische Manipulierbarkeit und ihre Geometrie besonders gut für solche Untersuchungen eignet - sie ist während der Meiose bananenförmig, der Zellkern bewegt sich durch diese Form anders als in einer kreisrunden Zelle, also etwas kontrollierter.

Die Mikrotubuli lassen sich durch fluoreszierende Proteine, die an ihren Untereinheiten angebracht wurden, leicht unter dem Mikroskop beobachten. Um die Rolle der Mikrotubuli aufzuklären, setzten die Biophysiker zudem fokussierte Laser ein, die als Laserskalpell dienen. Durch diese Art der Mikrochirurgie konnten die Forscher feststellen, dass der Zellkern von den Mikrotubuli hin und her gezogen wird.

Die ziehende Kraft bei diesen Schüttelbewegungen wird durch das Motorprotein Dynein erzeugt, das dynamisch in der Zelle verteilt ist. "Die Dynein-Motoren agieren dabei völlig selbstständig und organisieren sich selbst. Überraschenderweise und im Gegensatz zu vielen andern Zellprozessen folgen die Dynein-Motoren keinem hierarchischen Prinzip und gehorchen keinem Regulatorprotein", sagt Sven Vogel, Doktorand am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik und Erstautor der Studie. "Unsere Studie zeigt, dass selbstorganisiertes, kollektives Verhalten einer Vielzahl von Motoren große Bewegungen innerhalb der Zelle erzeugen kann - wie die während der Meiose".

"Dynamische Protein-Verteilungen in Zellen wurden traditionell mit einem Reaktions-und Diffusionsmechanismus interpretiert", erklärt Nenad Pavin, der die Bewegungen während der Meiose am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme mathematisch beschrieben hat. "In diesem Fall aber ist es ein rein mechanischer Vorgang, der die beobachteten räumlich-zeitlichen Muster der Motorprotein-Verteilungen erklärt: Er basiert auf dem Prinzip der Ladung, welche die Motorproteine erfahren", so Pavin weiter.

Max-Planck-Gesellschaft


Weitere Infos:

  • Originalveröffentlichung:
    Sven K. Vogel, Nenad Pavin, Nicola Maghelli, Frank Jülicher, Iva M. Tolic-Nørrelykke Self-Organization of Dynein Motors Generates Meiotic Nuclear Oscillations. PLoS Biology 7, 4, e87
    http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1000087

AL

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