Mysteriöse „Wassertröpfchen“ in Zellen entdeckt! Der „Schlüssel“ zur Überwindung einer Vielzahl schwieriger Krankheiten?

Autor: Duan Yuechu und Huang Xianghong

Laut Scientific American vom 14. August 2024: In der mikroskopischen Welt des Lebens sind Zellen die Grundeinheiten aller Lebensaktivitäten. Im Inneren der Zellen befinden sich einige mysteriöse Wassertröpfchen, sogenannte biomolekulare Kondensate, die nach und nach die Geheimnisse des Lebens enthüllen und der biologischen Forschung neue Perspektiven und Durchbrüche bescheren.

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen, die im Inneren komplexe und exquisite Strukturen aufweisen. Neben den uns bekannten membranumhüllten Organellen wie Mitochondrien und Zellkernen gibt es auch eine Art membranloser Organellen – die biomolekularen Kondensate. Im letzten Jahrzehnt haben Biologen erkannt, dass diese scheinbar winzigen Tröpfchen eine wichtigere Rolle bei der Zellfunktion spielen als bisher angenommen.

Lehrbuchbeschreibungen der Zellbiologie konzentrieren sich tendenziell auf jene Organellen mit gut definierten Membranstrukturen. Diese Beschreibung ist jedoch unvollständig. Die Entdeckung biomolekularer Kondensate hat uns ein umfassenderes Verständnis der inneren Welt von Zellen ermöglicht. Sie sind wie „kleine Gemeinschaften“ innerhalb von Zellen, die Proteine ​​oder andere biologische Moleküle konzentrieren und bestimmte Aufgaben erfüllen. Die Existenz dieser Tröpfchen ist kein Zufall, sondern eine effiziente Art der Organisation und Regulierung, die von Zellen im Laufe eines langen Evolutionsprozesses entwickelt wurde.

Die Physik biomolekularer Kondensate ist in Geheimnisse gehüllt. Die Thermodynamik, der Zweig der Physik, der sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst, liefert die theoretische Grundlage für unser Verständnis der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung. Nehmen wir beispielsweise gewöhnliches Öl und Wasser: Wenn die beiden vermischt werden, trennen sie sich unter bestimmten Bedingungen automatisch in zwei unterschiedliche Phasen. Wenn sich Moleküle wie Proteine, DNA oder RNA in hohen Konzentrationen in Zellen aggregieren, kann es ebenfalls zu einer Phasentrennung kommen und biomolekulare Kondensate bilden. Aber anders als bei einfachen Öl-Wasser-Trennungen sind viele Kondensate innerhalb von Zellen dynamisch. Sie existieren vorübergehend und bilden oder verschwinden, wenn sich die Bedürfnisse und die Umgebung der Zelle ändern.

Die Geschichte der Forschung zu biomolekularen Kondensaten kann auf viele Pioniere zurückgeführt werden. Bereits 1782 beobachtete und kartierte der dänische Naturforscher Otto Frederick Muller Nukleoidproteine ​​in Grünalgen, die zu den frühesten bekannten biomolekularen Kondensaten zählen. Dann, in den 1830er Jahren, beobachteten die deutschen Physiologen Rudolf Wagner und Gabriel Valentin winzige Strukturen im Zellkern von Nervenzellen. Im Jahr 1899 stellte der amerikanische Biologe Edmund B. Wilson die Idee auf, dass das Zytoplasma von Zellen keine homogene Flüssigkeit sei. Im Jahr 2009 lieferte eine bahnbrechende Studie den ersten direkten Nachweis dafür, dass sich in lebenden Zellen biomolekulare Kondensate bilden können.

Für Forscher wie Trevor Grandpre ist ihre Forschungsreise voller Herausforderungen und Überraschungen. Grandpre begann sein Studium mit dem Hauptfach Biologie, fühlte sich jedoch vom quantitativen Charakter der Physik angezogen. Er untersucht Phänomene der intrazellulären Phasentrennung, insbesondere Kondensate, die in T-Zellen gebildet werden. Durch die Zusammenarbeit mit Partnern konnten sie den komplexen Prozess der Bildung spezieller Kondensattypen in Zellen aufdecken und so wichtige Hinweise für ein tieferes Verständnis des Immunregulationsmechanismus von Zellen liefern.

Die Bildungsmechanismen biomolekularer Kondensate sind vielfältig. Zum einen können geeignete Bedingungen die Ausbildung chemischer Bindungen fördern, so dass sich einzelne Proteinmoleküle miteinander verbinden und Kondensate bilden können. Andererseits können Proteine, die intrinsisch ungeordnete Regionen (IDRs) enthalten, aufgrund der stark repetitiven Natur ihrer Aminosäuresequenzen und der Eigenschaften ihrer Ladungsverteilung durch komplexe Wechselwirkungen mit Wasser und Anziehung oder Abstoßung mit anderen Aminosäuren auch separate Phasen bilden. Darüber hinaus entstehen einige Kondensate durch energieaufwendige „aktive“ Prozesse. So hat beispielsweise die Forschung von Sharon Glotzer gezeigt, dass Zentrosomen – flüssigkeitsähnliche Zellstrukturen, die bei der Koordinierung der Zellteilung helfen – unter bestimmten chemischen Reaktionsbedingungen stabil existieren können und dass ihre Größe und Anzahl eng mit der bei der chemischen Reaktion verwendeten Energie zusammenhängen.

Mysteriöse Tröpfchen im Inneren von Zellen spielen bei einer Vielzahl von Krankheiten eine Rolle. Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS), der Alzheimer-Krankheit und der Parkinson-Krankheit sind abnormale Proteinphasenübergänge und Aggregatbildung wichtige Ursachen für neuronale Funktionsstörungen und Tod. Am Beispiel von ALS verursachen Mutationen im Gen, das für FUS kodiert, erbliche ALS, und die in Reagenzglasexperimenten auftretende Form der Aggregate ähnelt den FUS-Proteinclustern im Gehirngewebe der Patienten. Mit der Zeit verändern sich die Eigenschaften dieser Tröpfchen, sie werden dichter und erfordern größere Kräfte zur Verformung. Ähnliche Prozesse können auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen auftreten, etwa bei der Bildung von Amyloidfibrillen bei der Alzheimer-Krankheit und bei der Ablagerung von Ribonukleoproteinen bei der Parkinson-Krankheit. Dies lässt darauf schließen, dass unter normalen physiologischen Bedingungen der flüssige Zustand dieser Proteine ​​erhalten bleibt und dass das Auftreten von Krankheiten mit dem Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand zusammenhängen könnte.

In der Krebsforschung können einige krebsrelevante Proteine ​​die Zellproliferation, -differenzierung und -apoptose durch die Bildung von Aggregaten regulieren. Beispielsweise durchläuft YAP, ein Schlüsselprotein der Tumorzelltoleranz, einen Phasenübergang und erzeugt biomolekulare Aggregate. Die Bildung übermäßiger YAP-Aggregate ist eng mit der Entwicklung der Toleranz verbunden. Durch die Hemmung seiner Bildung sollen neue Strategien für die Krebsbehandlung entwickelt werden.

Im Hinblick auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen können Anomalien in einigen Proteinaggregaten, die mit der Herz-Kreislauf-Funktion in Zusammenhang stehen, die normalen physiologischen Funktionen des Herzens und der Blutgefäße beeinträchtigen, der genaue Mechanismus muss jedoch noch weiter untersucht werden.

Um die Rolle biomolekularer Kondensate bei Krankheiten weiter zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine Reihe fortschrittlicher technischer Methoden eingesetzt. Mithilfe von Technologien zur Genomeditierung wie CRISPR-Cas9 können an der Kondensatbildung beteiligte Gene präzise verändert werden, um die Auswirkungen genetischer Veränderungen in Krankheitsmodellen zu beobachten. Bei der Proteomanalyse werden Techniken wie die Massenspektrometrie eingesetzt, um die Zusammensetzung und Veränderungen intrazellulärer Proteine ​​unter Krankheitsbedingungen umfassend zu erfassen, insbesondere von Proteinen, die mit Aggregaten assoziiert sind. Mithilfe hochauflösender Mikroskopietechniken, einschließlich konfokaler Mikroskopie und Superauflösungsmikroskopie, können wir die subtile Morphologie, Verteilung und dynamischen Veränderungen intrazellulärer Kondensate direkt beobachten.

Mithilfe der Live-Cell-Imaging-Technologie in Kombination mit Fluoreszenzmarkierung können wir biomolekulare Kondensate über einen langen Zeitraum in Echtzeit beobachten, während die Zellen physiologisch aktiv bleiben. Die Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer-Technologie (FRET) deckt die Wechselwirkungen zwischen Molekülen in Kondensaten auf, indem sie den Energietransfer zwischen fluoreszierenden Molekülen erfasst. Mithilfe der Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF) können fluoreszierende Moleküle in der Nähe der Zellmembranoberfläche selektiv angeregt werden, wodurch die Beobachtung von Kondensaten in der Nähe der Zelloberfläche erleichtert wird. Die Fluoreszenzlebensdauerbildgebung (FLIM) spiegelt Änderungen in der Umgebung und Wechselwirkungen wider, indem sie Änderungen in der Lebensdauer fluoreszierender Moleküle misst. Bei der Fluoreszenzmikroskopie mit Zwei-Photonen-Anregung werden langwellige Laser zur Anregung fluoreszierender Moleküle eingesetzt. Dadurch werden Lichtschäden an Zellen verringert und die Mikroskopie eignet sich für die langfristige Beobachtung in Echtzeit. Mit der Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie lassen sich schnell hochauflösende dreidimensionale Bilder aufnehmen. Außerdem bietet sie einzigartige Vorteile für die Untersuchung der räumlichen Verteilung und dynamischen Veränderungen von Kondensaten innerhalb von Zellen.

Neben ihrer Bedeutung in der Krankheitsforschung bietet die neue Physik biomolekularer Kondensate auch breite Anwendungsaussichten in anderen Bereichen. Bei der Untersuchung der Chromatinassemblierung wurde festgestellt, dass durch die Acetylierungsmodifikation von Nukleosomen bestimmte Proteine ​​zur Bildung einer neuen flüssigen Phase rekrutiert werden können, wodurch die Assemblierung von Chromatin dynamisch reguliert wird. Während der Bildung des Zytoskeletts können bestimmte Proteine, die an Aktin binden, eine Flüssig-Flüssig-Phasentrennung durchlaufen und sich selbst zusammensetzen, um ein planares F-Aktin-Netzwerk zu bilden, das als Keimzentrum dient, um mehrere Mikrofilamente zu Bündeln zusammenzufügen. Bei der Untersuchung der individuellen Entwicklung von Drosophila können die an der asymmetrischen Teilung der Neuroblasten beteiligten biomolekularen Kondensate an den beiden Polen der Zelle asymmetrisch verteilt sein und spielen eine Schlüsselrolle bei der Differenzierung von Neuronen. Während der Bildung und Veränderung von Synapsen löst die Interaktion zwischen Proteinen eine Phasentrennung und „Ablagerungen“ auf der Oberfläche der Lipidmembran aus, um an der Signalübertragung von Neurotransmittern teilzunehmen, und steht sogar in engem Zusammenhang mit komplexen physiologischen Prozessen wie dem menschlichen Schlaf und Bewusstsein.

Im Allgemeinen öffnet die neue Physik biomolekularer Kondensate ein neues Fenster in die mikroskopische Welt im Inneren von Zellen. Obwohl sich unser Verständnis davon noch in der Phase kontinuierlicher Entwicklung und Verbesserung befindet, haben wir mit der Vertiefung der Forschung und dem Fortschritt der Technologie Grund zu der Annahme, dass die Forschung auf diesem Gebiet der Menschheit beispiellose Möglichkeiten und Durchbrüche bringen wird, um die Geheimnisse des Lebens zu verstehen, verschiedene Krankheiten zu besiegen und die Entwicklung der Biowissenschaften voranzutreiben. Wir freuen uns darauf, in Zukunft noch mehr Geheimnisse der biomolekularen Kondensate zu lüften und so einen größeren Beitrag zur menschlichen Gesundheit und zum wissenschaftlichen Fortschritt zu leisten.