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Zilien in 3D: Bahnhof in Minitaturformat entdeckt
Zilien sind kleine haarähnliche Organellen an Zellen, die Funktionen wie Beweglichkeit und Signalübertragung übernehmen. Ein Forschungsteam hat nun entdeckt, dass die Basis von Zilien ein hochspezialisierter Transportknotenpunkt ist, an dem Züge und ihre Fracht für den Transport zusammengestellt werden. Defekte in diesem Transportsystem können etwa zu zystischen Nieren oder Erblindung führen. Die in «Science» veröffentlichten Ergebnisse liefern wichtige Einblicke in die molekularen Grundlagen für eine Vielzahl von Krankheiten.
19. September 2022
Zilien übernehmen für die Zelle zahlreiche Funktionen. Sie helfen den Zellen zu schwimmen, Flüssigkeiten zu verteilen und sich gegenseitig Nachrichten zu senden. Zilien orgen zum Beispiel dafür, dass wir sehen können, transportieren Stoffe aus der Lunge ab, verteilen Flüssigkeit im Gehirn, und spielen eine zentrale Rolle, wenn wir Gerüche und Geräusche wahrnehmen. Sie sind auch für unsere Entwicklung und die richtige Anordnung unserer Organe essenziell. Ist ihre Funktion gestört, können verschiedenste Erkrankungen die Folge sein, darunter Herz-, Nieren- und Lungenerkrankungen, Erblindung oder Unfruchtbarkeit.
Aufgebaut sind sie wie grosse Proteinzügen, die wichtige Ladungen zur Zilienspitze und zurück zur Basis transportieren. Schon kleinste Mutationen in einzelnen Bestandteilen können jedoch den Verkehr im Inneren der Zilien lahmlegen.
Dem Forschungsteam um Prof. Dr. Ben Engel am Biozentrum der Universität Basel ist es nun zusammen mit Forschenden der Universität Genf und des Instituts Human Technopole in Mailand gelungen, Zilien in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen und erstmalig die 3D-Struktur der Zilienbasis zu entschlüsseln. Dabei zeigte sich, dass sich in den Zilien ein hochkomplexes Transportsystem verbirgt, das Züge zusammengestellt, belädt und sie auf ihre Reise durch die Zilien vorbereitet.
Ladestation für den Zilientransport
Die Zilie ist am Fuss fest mit der Zelle verankert. «Hier befindet sich quasi der Kopfbahnhof des Verkehrsknotenpunktes», erklärt Hugo van den Hoek, Erstautor der Studie. «Die Züge werden hier zusammengesetzt, mit Fracht beladen und auf die Schiene gestellt.» Insgesamt neun verschiedene Schienen beginnen hier, die Fachleute Mikrotubuli nennen. Jede von ihnen besteht aus zwei Gleisen, eins für den Hin- und eins für den Rücktransport. Die Züge transportieren Proteine wie Signalmoleküle und Baustoffe zur Spitze der Zilien. Am Zielbahnhof angekommen, wird der Zug entladen und wieder auseinandergebaut.
Die Forschenden untersuchten die Zusammenstellung des Zuges am Kopfbahnhof genauer, sowie die Reihenfolge, in der die Zugkomponenten zusammenkommen. Dabei entdeckten sie eine selektive Barriere am Fusse der Zilien. «Diese regelt die Zusammensetzung der Züge und deren Beladung mit Frachtproteinen, die für Bau und Instandhaltung der Zilien nötig sind», so Hug van den Hoek. «Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie können wir auch den genauen Fahrplan der Züge ablesen. Diese verlassen den Startbahnhof innerhalb von neun Sekunden, und dann beginnt die Montage von vorne.»
Organellen in 3D
Mit Hilfe zweier komplementärer bildgebender Verfahren konnten die Forschenden die Struktur und Zusammensetzung der Zilienbasis darstellen: Die Teams von Ben Engel in Basel und Dr. Gaia Pigino in Mailand enthüllten mit Hilfe der Kryo-Elektronentomographie die Zellstrukturen mit ihren molekularen Details. Die Genfer Forschenden um Dr. Virginie Hamel und Prof. Dr. Paul Guichard fügten Daten aus der Expansionsmikroskopie hinzu, die es ermöglichten, zahlreiche Proteine zu lokalisieren und auf den Tomographiestrukturen abzubilden. «Diese leistungsstarke Kombination von Technologien hat es uns ermöglicht, das erste molekulare Modell der Zilienbasis zu rekonstruieren und zu beobachten, wie sie den Zusammenbau und den Eintritt dieser großen Proteinzüge reguliert», erklärt Guichard.
«Das detaillierte Verständnis des Transportsystems und seiner Logistik hilft uns zu verstehen, wie Zilien aufgebaut sind und funktionieren. Dies kann uns auch neue Ideen für Therapien von Zilienerkrankungen liefern», sagt Ben Engel. In einem nächsten Schritt wollen er und seine Mitarbeitenden untersuchen, was an der Zilienspitze passiert: wie die Endstation aufgebaut ist und wie der Rücktransport organisiert ist.
Originalpublikation
Hugo van den Hoek et al.
In situ architecture of the ciliary base reveals the stepwise assembly of IFT trains.
Science (2022), doi: 10.1126/science.abm6704
