Architektur neuronaler Zellen enthüllt
Intermediärfilamente (IF) sind Bestandteil des Cytoskeletts und sorgen für die mechanische Unterstützung von Zelle und Zellmembran. Die Expression spezifischer IF-Proteine variiert zwischen verschiedenen Zelltypen sowie während der Entwicklung und Differenzierung. Diese Proteine enthalten große, in sich ungeordnete Regionen und sind in ihrer Funktion nicht von ihrer dreidimensionalen Struktur abhängig, was ihnen strukturelle Flexibilität und Formbarkeit verschafft. Diese dynamischen und flexiblen biologischen Materialien erforschte das EU-finanzierte Projekt IF INTERACTIONS (Self-assembly, structures and interactions of cell specific cytoskeleton) mit experimentellen und rechnergestützten Verfahren, um die teilweise ungeordneten IF des Nervensystems, die Neurofilamente, zu untersuchen. Das Konsortium generierte fünf verschiedene Proteinuntereinheiten und untersuchte deren Strukturen und Wechselwirkungen während deren Selbstassemblierung zu Filamenten und Netzen. Die Projektmitglieder analysierten mit verschiedenen hochauflösenden Bildgebungsverfahren und Kleinwinkelröntgenstreuung die Rolle verschiedener zellspezifischer IF für die mechanische Unterstützung neuronaler Zellen. Sie fanden heraus, dass die Eigenschaften der Filamentnetze von der synergistischen Wechselwirkung zwischen langen und kurzen Proteinen abhängen, wobei letztere für die Abstände zwischen den neuronalen Filamenten eine wichtige Rolle spielen. Die Forschungsergebnisse liefern eine Erklärung für die unterschiedliche Expression neuronaler IF während der Embryonalentwicklung. Zum Beispiel zeigten die Ergebnisse, dass der Abstand zwischen den Filamenten von 80 nm in einem erweiterten Netz verringert wird, wenn die Proteinuntereinheit α-Inx in der frühen Entwicklung postnatal bis 40 nm exprimiert wird. Das aus NF-L- und NF-M-Verbundfilamenten erzeugte Netzwerk ist kondensiert, und die Expression dieser beiden Proteine verstärkt sich postnatal. Die Forscher entwickelten ein Modell, das dieses erweiterte Netzwerk beschreibt. Das ionische Brückenmodell stellt die Carboxy-terminalen Enden als hochflexible und stark interagierende Bürsten mit unterschiedlichen Eigenschaften dar. Das physikalische Modell erklärt, warum kurze Bürsten in Netzen mit breiteren interfilamentösen Abständen zu finden sind. Insgesamt zeigen die Ergebnisse von IF INTERACTIONS die wichtige Rolle von IF beim Erhalt der Zellstruktur auf. Da sie die Zell- und Gewebefunktionen stark beeinflussen können, muss geklärt werden, wie sie sich bei verschiedenen Erkrankungen verhalten. Daher wird das Schwerpunktthema künftiger Forschungen α-INX und dessen Rolle bei der komplexen Architektur neuronalen Zellen in der Entwicklungsphase sein.
Schlüsselbegriffe
Zytoskelett, Intermediärfilamente, Neurofilamente, Abstand zwischen Filamenten, a-INX
