Zellulärer Stress: Wie Membranen auf mechanische Belastung reagieren und sich anpassen

BerlinWissenschaftler der Universität Genf haben in Zusammenarbeit mit dem Institut de Biologie Structurale de Grenoble und der Universität Fribourg Fortschritte im Verständnis gemacht, wie Zellen mit physischem Stress umgehen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie untersuchten sie das Verhalten von Lipiden und Proteinen in der Zellmembran unter mechanischem Stress. Diese Forschung erklärt, wie kleine Bereiche der Membran verschiedene Lipide organisieren können, um spezifische Zellantworten auszulösen.

Die Studie untersucht zwei wesentliche Aspekte:

• Membranmikrodomänen
• Ei-Protein-Gitter der Eisosomen

Zellmembranen: Schlüssel zur Zellfunktion und Flexibilität

Zellmembranen sind essenziell, um Zellen intakt und funktionsfähig zu halten. Bis vor kurzem war dies nicht vollständig verstanden. Diese Studie bringt neue Erkenntnisse. Die Plasmamembran fungiert als Barriere, muss aber auch flexibel sein. Diese Flexibilität entsteht durch Lipide und Proteine in der Membran. Ihre Anordnung variiert je nach äußerer Umgebung, was hilft, die Spannung und Lockerheit der Membran auszugleichen.

Kleine Bereiche der Zellmembran, sogenannte Mikrodome, bestehen aus spezifischen Lipiden und Proteinen. Diese Bereiche sind von Bedeutung, um Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften der Zellmembran zu erkennen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Robbie Loewith von der Universität Genf (UNIGE) nutzte die Kryo-Elektronenmikroskopie, um diese Interaktionen im Detail zu untersuchen. Diese Technik beinhaltet das Einfrieren der Proben bei -200°C, wodurch die Membranen in ihrem natürlichen Zustand für die genaue Untersuchung erhalten bleiben.

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Die Studie verwendete Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae), weil diese leicht zu kultivieren ist, genetisch verändert werden kann und viele zelluläre Vorgänge aufweist, die denen in höheren Organismen ähneln. Die Forschung konzentrierte sich auf einen bestimmten Teil der Zellmembran, der durch eine Proteinhülle namens Eisosomen gestützt wird.

Eisosomen helfen Zellen, Schäden an ihren Membranen zu bewältigen. Dem Team gelang es, diese Strukturen zusammen mit ihren natürlichen Membranlipiden zu reinigen und zu untersuchen. Dies stellt einen wichtigen Fortschritt im Verständnis ihrer Funktionsweise dar.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die Anordnung von Lipiden in bestimmten Bereichen verändert, wenn Zellen mechanischem Stress ausgesetzt sind. Wenn sich die Proteinstruktur namens Eisosome dehnt, ordnen sich die Lipide neu und setzen wahrscheinlich Signalmoleküle frei, die der Zelle helfen, sich an den Stress anzupassen. Dieser Prozess erklärt, wie Zellen physischen Stress in chemische Signale umwandeln, durch das Zusammenspiel von Proteinen und Lipiden.

Diese Erkenntnisse sind von entscheidender Bedeutung. Zu verstehen, wie Zellen mechanischen Stress erkennen und darauf reagieren, könnte neue Wege eröffnen, um das Überleben und die Funktion von Zellen zu verbessern. Dies wäre insbesondere für die medizinische Forschung und die Entwicklung von Behandlungen für stressbedingte Erkrankungen von großer Relevanz.

Diese Studie präsentiert neue Methoden zur Untersuchung der Membranorganisation. Proteine und Lipide bewegen sich in den Membranen und bilden dabei kleine Bereiche. Diese Bereiche unterstützen die Zellen bei spezifischen biochemischen Aufgaben, insbesondere bei der Aktivierung von Kommunikationswegen während Stresssituationen.