Forscher schildern grundlegenden Lebensprozess

Newswise – Proteine ​​in der Zelle werden von komplexen molekularen Maschinen zusammengebaut. Die Vorläufer dieser Ribosomen werden im Zellkern produziert und gelangen dann durch die sogenannten Kernporen in die Zelle. Forschende der Universität Bonn und der ETH Zürich haben diesen grundlegenden Prozess erstmals in lebenden Zellen fotografiert. Ihre Experimente verbessern das Verständnis der Entstehung von Ribosomen. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Der Zellkern ist eine Art Gewölbe: Er sitzt in der Zelle und schützt die DNA, die die Bauanleitung für alle Proteine ​​der Zelle enthält. Wenn eine Zelle für eine bestimmte Aufgabe ein Protein benötigt, bestellt sie eine Kopie des passenden DNA-Fragments im Zellkern. Diese Kopie verlässt den Zellkern und erreicht die Ribosomen, die komplexe molekulare Maschinerie. Diese arbeiten sich dann Schritt für Schritt durch, um das gewünschte Protein herzustellen.

Das bedeutet, dass die allermeisten Zellmoleküle außerhalb des Zellkerns produziert werden. Dies gilt jedoch nicht für die Ribosomen selbst: Ihre vielen Komponenten sind bereits weitgehend im Zellkern zusammengebaut. Dies führt zur Bildung von zwei großen molekularen Komplexen, der Prä-60S- und der 40S-Untereinheit. Beide gelangen dann durch die Kernporen in die Zelle, wo sie in einem letzten Schritt zum Ribosom zusammengesetzt werden.

Ein Team der Universität Bonn und der ETH Zürich filmte, wie genau die grössere Untereinheit vor den 60er Jahren exportiert wurde. „Dafür haben wir die Kernporen mit grünem Farbstoff und die Pre-60S-Einheit rot angefärbt“, erklärt Professor Dr. Ulrich Kubitscheck vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Die Aufnahme selbst erfolgte mit Hilfe eines speziellen Mikroskops, das die Forscher auch eigens dafür modifizierten.

Gelstopfen wirken als Porenstopfen

„Auf diese Weise ist es uns weltweit erstmals gelungen, den Durchgang einzelner ribosomaler Komponenten durch die Poren in Echtzeit zu erfassen“, sagt Erstautor der Studie Dr. Das ist nicht trivial: Der Kern menschlicher Zellen ist tatsächlich mit mehreren tausend Poren bedeckt. Jeder hat einen Durchmesser von etwa einem Zehntausendstel Millimeter. Der Erfolg basiert auf Fortschritten in der Mikroskopie-Technologie, aber auch auf mehr als zehn Jahren Forschungsarbeit, in der Forscher ihre Methode ständig verbessert haben.

Der Transport durch die Poren ist ein komplexer Vorgang: Sie werden mit einer Art Gel versiegelt, das normalerweise den Durchgang großer Moleküle verhindert. Die Untereinheiten der Ribosomen sind riesig; Ohne Helfer können sie den Kern nicht verlassen. Es umgibt sich also mit bestimmten Molekülen, den Exportrezeptoren. Dadurch können sie sozusagen durch den Gelstopfen „durchschwimmen“. „An der Außenseite jeder Pore befindet sich eine Proteinkupplung, die an der Ribosomeneinheit zieht“, erklärt Kubitscheck-Fellow Dr. Jan Peter Siebrasse.

Der Durchgang dauert nur 25 Millisekunden

Dieser Schritt scheint der „Flaschenhals“ im Transferprozess zu sein. Sagt Siebrasse, die wie Kubitscheck Mitglied des interdisziplinären Forschungsbereichs „Basic Interactions“ (eine Frage der Kommunikationsregulierung) ist. Allerdings verläuft der Exportprozess relativ schnell – Studienteilnehmer schätzen, dass 35 bis 50 Untereinheiten pro Sekunde eine einzige Pore passieren können.

Aber die Bewertung von Filmen zeigt auch, dass das Exportieren nicht immer funktioniert. Nur in jedem dritten Fall kommt die Pre-60s-Einheit mit einer Pore in Kontakt, verlässt sie tatsächlich den Kern. In den restlichen Fällen wurde der Prozess jedoch abgebrochen – möglicherweise, weil gleichzeitig andere Moleküle aus dem Kern herausbewegt wurden, spekuliert Kubitschek.

Die Studie liefert detailliertere Einblicke in die Zusammensetzung von Ribosomen. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch zur Untersuchung anderer Übertragungen. „Wir haben das vorhandene technische Potenzial so gut wie ausgeschöpft“, sagt Kubitschek. „Nicht ohne Grund haben die Gutachter unsere Studie als Referenz bezeichnet, von der wir hoffen, dass andere Gruppen davon profitieren werden.“

Beteiligte Institutionen und Finanzierung:

Forschende der ETH Zürich waren massgeblich an der Studie beteiligt. Die Arbeit wurde von der Universität Bonn und dem Schweizerischen Nationalfonds unterstützt.

Publikation: Jan-Andreas Roland, Annika Marie Krueger, Kirsten Dorner, Rohan Bhatia, Sabine Wirths, Daniel Poets, Ulric Cotai, Jan-Peter Sipras und Ulrich Kubitschek: Nuclear export of the ribosomal subunit ago 60 years through a single Nuclear Pore Observed in Echtzeit; Naturverbindungen; DOI: 10.1038 / s41467-021-26323-7

Vorstellung von TV-Journalisten:
Fernsehteams sind eingeladen, sich vor Ort ein Bild von der Methode zu machen und die Erfahrungen filmisch zu dokumentieren.