Thema: Polarität und Protein Sorting
Zusammenfassung (Ingo Lehmann)

Innerhalb ein und derselben Zelle können sich Bereiche der Plasmamembran untereinander erheblich in Lipid-und Proteinzusammensetzung unterscheiden. Die Bereiche können sich auch morphologisch unterscheiden, wie zum Beispiel bei den Nervenzellen (axonale und somatodendritische Domäne). Die jeweilige Zelle muß über verschiedene „Sorting“-Mechanismen verfügen, um die verschiedenen Membranproteine zu dem für sie „richtigen“ Bereich zu dirigieren. Diese Mechanismen sind für Epithelzellen wesentlich besser erforscht als für Neuronen. Die „Sorting Signals“ für die basolaterale Domäne liegen meist im cytosolischen Abschnitt des Proteins und basieren auf einem Tyrosin oder Di-Serinmotiv, solche für die apikale Domäne liegen meist im Transmembranbereich oder werden durch Kohlenhydratseitenketten gebildet.
Bei dem Versuch, die an Epithelzellen gewonnenen Erkenntnisse auf Neuronen zu übertragen, stellte sich heraus, dass sich basolaterale Proteine in Neuronen im somatodendritischen Bereich anlagern und apikale Proteine im Axon. Allerdings gilt dieses Konzept für die letztere Beziehung nur bedingt, da apikale „Sorting Signals“ häufig nicht als axonale erkannt werden.
Bei Untersuchungen zur Neuronenentwicklung in Kultur stellte man fest, dass die morphologische und die molekulare Polarisierung in unterschiedlichen Entwicklungsstadien ablaufen. Während des Axonwachstums (morphologische Polarisation) kommt es zu einem cytoplasmatischen Fluss, bei dem Proteine und Organellen unabhängig von ihrem Bestimmungsort im reifen Neuron in das entstehende Axon eindringen. Die Trennung von axonalen und somatodendritischen Proteinen erfolgt erst in einer späteren Entwicklungsstufe. Dem cytoplasmatischen Fluß geht ein Zusammenbruch des Aktinnetzwerkes voraus, der dann über den Anstieg der Exocytoseaktivität, den osmotischen Druck des freien G-Aktins und/oder Ausdehnung des Cytogels die Bewegung der Organellen in den axonalen Wachstumskegel auslöst.
An den Grenzen von Membranbereichen unterschiedlicher Polarität bilden die Zellen „molekulare Zäune“ aus, um eine Vermischung der Proteine beider Bereiche durch laterale Diffusion zu verhindern. Epithelzellen bilden an den Berührungszonen mit anderen Zellen „tight junctions“ aus, die die apikalen und basolateralen Proteine am Verlassen ihres jeweiligen Bereiches hindern.
Bei Neuronen dient ein 60-90 µm langes Anfangssegment des Axons als molekularer Zaun. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Komplex von Bestandteilen des Cytoskeletts (z.B. F-Aktin und Ankyrin). Proteine mit Ankyrin-bindenden Domänen werden, sofern sie in das Anfangssegment hineindriften, an den Komplex gebunden und bilden dann für nachfolgende Proteine eine natürliche physikalische Barriere.
 

Literatur:
1) Foletti, D., Prekeris, R., and Scheller, R.H.(1999). Generation and Maintenance of Neuronal Polarity: Mechanisms of Transport and Targeting. Neuron 23, 641-644
2) Winckler, B., and Mellman, I. (1999). Neuronal Polarity: Controlling the sorting and diffusion of membrane components. Neuron 23, 637-640
3) Bradke, F., and Dotti, C.G. (2000). Changes in membrane trafficking and aktin dynamics during axon formation in cultured hioppocampal neurons. Microsc. Res. Tech. 2000 48, 3-11
 

Referat 1 (Martin Sichting)
Winckler, B., Forscher, P. and Mellman, I. (1999) Nature 397, 698-701
„A diffusion barrier maintains distribution of membrane proteins in polarized neurons“
Zur Aufrechterhaltung ihrer Polarität verfügen Neuronen über verschiedene Mechanismen. Dieser Artikel befaßt sich mit einer Diffusionsbarriere, die verhindert, daß Membranproteine (sowohl Transmembranproteine als auch GPI-verankerte Proteine) frei durch die Plasmamembran der Neuronen wandern können. Ohne eine solche Barriere könnte die unterschiedliche Zusammensetzung der Membranproteine zwischen dem Axon und der somatodendritischen Region nicht aufrecht erhalten werden.
Immunfluoreszenz-Bilder zeigen, daß sich die Diffusionsbarriere nicht am Axonhügel befindet, sondern etwa 30 µm vom Soma entfernt im initialen Segment des Axons liegt. Um die Ergebnisse aus der Immunfluoreszenz zu bestättigen, haben die Autoren sogenannte optical tweezers* verwendet, die sie mit Antikörpern an Membranproteine gekoppelt haben. Bei diesen optical tweezers handelt es sich um lichtbrechende Kügelchen. Werden diese nun mit stark fokussiertem Laserlicht bestrahlt, so erfahren die Photonen bei Durchlaufen der Kügelchen eine Impulsänderung. Aufgrung der Impulserhaltung muß sich deshalb auch der Impuls des Kügelchens ändern. Somit kann man eine Kraft auf die Kügelchen ausüben, die direkt proprotional zur Intensität des eingestrahlten Lichtes ist und deren Richtung vom Bestrahlungswinkel und Bestrahlungsmuster abhängt.
Mit diesen optical tweezers haben die Autoren nun versucht, Membranproteine durch die Membran zu ziehen. Dabei konnten sie feststellen, daß die mittlere Beweglichkeit der Membranproteine im initialen Bereich des Axons gegenüber dem weiter vom Soma entfernten Axon deutlich eingeschränkt ist.
Die Autoren vermuteten nun, daß die Transmembranproteine im initialen Axon über Ankyrin an das Aktin-Cytoskelett gebunden werden. Um dies zu bestätigen, verwendeten sie die Aktin-zerstörende Droge Latrunculin-B. Wurden Zellen mit dieser Droge (gelöst in Ethanaol) inkubiert, so verschwand die Diffusionsbarriere. Bei diesem Versuch konnten die Autoren feststellen, daß DMSO, welches sie zuerst als Lösungsmittel für die Droge verwendet haben, ebenfalls die Barriere zerstört. Auch dies Beobachtung ist mit dem Modell vereinbar, da DMSO die Plasmamembran von cortikalen Cytoskelett löst und somit eine Verankerung der Membranproteine unmöglich macht. Um sicherzustellen, daß die Transmembranproteine auch an das Cytoskelett gebunden sind, machten sich die Autoren eine Eigenschaft von an das Cytoskelett gebundenen Proteien zu Nutze. Solche Proteine lassen sich mit nicht-ionischen Detergentien nicht aus der Membran extrahieren. Es konnte gezeigt werden, daß CHAPS (ein nicht-ionisches Detergenz) die Membranproteine aus dem Axon entfernt, daß aber im initialen Axon keine Extraktion zu beobachten ist.
Das führt die Autoren zu folgendem Modell der Diffusionsbarriere in Neuronen: Im initialen Axon werden die Transmembranproteine durch Verankerungsproteine wie Ankyrin an das Aktin-Cytoskelett gebunden. Die so fixierten Proteine bilden einen Zaun, der die Diffusion anderer Porteine (auch von GPI-verankerten Proteinen) durch das initiale Axon verhindert.

* Weiterführende Literatur zu optical tweezers:
Kuo & Sheetz "Optical Tweezers in Cell Biology" - Trends in Cell Biology 2, 116-118 (1992)

Referat 2 ( )
 

Seite erstellt von Chris Weise, 26..Juli 2000