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Eine der Schlüsselstrukturen, die an der Teilung eukaryotischer Zellen – also solcher mit einem Zellkern – beteiligt sind, ist der Aktomyosin-Ring, ein komplexer Kreis von Proteinen, der sich wie ein Zugband zusammenzieht, um die Zellen in zwei Teile zu teilen.
Der Aktomyosin-Ring verhält sich ähnlich wie Muskeln – Myosin-Motorproteine ziehen an Aktinfilamenten – doch der Aufbau ist weitaus komplizierter. Diese zelluläre Maschine besteht aus über 120 verschiedenen Arten von Proteinen, die in unterschiedlichen Mengen enthalten sind. Hinzu kommt, dass sich einige der Komponenten etwa alle 40 Sekunden erneuern, weshalb ihre Untersuchung unter dem Mikroskop für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein schwieriges Unterfangen ist.
„Es ist wie bei einem Familienfoto: kurz bevor man die Kamera auslöst, wechseln ein paar Beteiligte ihre Position, immer und immer wieder“, sagt Mohan Balasubramanian, Professor für Biomedizin an der Universität Warwick.
Neu von Anfang an
„Wenn man etwas verstehen will, muss man es bauen“, fügt Balasubramanian hinzu. Das EU-finanzierte und vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt ACTOMYOSIN RING hatte zum Ziel, den Ring mit seinen einzelnen Komponenten nachzubauen. Unter Verwendung von Hefezellen als Modell setzte das Team eine Reihe modernster biochemischer und bildgebender Verfahren ein, um alle Ringproteine zu reinigen und das Ringsystem zu rekonstruieren.
Dabei machten die Forschenden wichtige Beobachtungen zu den physikalischen Prinzipien hinter der Ringstruktur. „Die Biophysik der Aktinfilamente spielt eine äußerst wichtige Rolle beim Aufbau des Rings“, erklärt Balasubramanian. „Der zusammengesetzte Ring versucht, den Weg der geringsten Krümmung zu nehmen, sofern er nicht durch andere Proteine daran gehindert wird.“ Im Rahmen der Arbeit wurden mehrere Schlüsselproteine identifiziert, die für die Stabilisierung der Aktinfilamente in ihrer gekrümmten Form ausschlaggebend sind.
Eine der wichtigsten Errungenschaften des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens zur Reinigung von Aktin. Anstatt es aus tierischen Skelettmuskeln zu gewinnen, können nun Aktin-Gene aus beliebigen Organismen verwendet und die erforderlichen Proteine im Labor mit Hilfe von gentechnisch veränderter Hefe hergestellt werden.
Neue Wege in Richtung Gesundheitsforschung
Die Arbeit birgt großes Potenzial für den Bereich der medizinischen Forschung, meint Balasubramanian. „Aktin-Mutationen führen zu vielen Gesundheitsproblemen – es gibt vier- oder fünfhundert verschiedene Aktin-Mutationen, die menschliche Krankheiten verursachen“, führt er aus. Bekannterweise führen etwa 70 Mutationen im Aktin-Gen des Herzens zu einer Kardiomyopathie, also einer Erkrankung des Herzmuskels.
Das System kann jetzt dazu verwendet werden, defekte Aktomyosin-Ringproteine zu reinigen und nach neuen Verbindungen zu suchen, die das Problem beheben können. „Wir waren sehr erfreut, dass unsere Arbeit uns zur Kommerzialisierung und Arzneimittelforschung geführt hat, was zu Beginn unserer Arbeit noch nicht absehbar war“, so Balasubramanian. Das Team wird demnächst weitere EU-Finanzmittel beim Europäischen Forschungsrat beantragen, um seine Forschung in diesem Bereich zu vertiefen.