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Genome editing for spatiotemporal analysis of centriolar SATellite BIOgenesis and FUNction in cellular stress responses

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Zentriolare Satelliten spielen eine zentrale Rolle bei der Entfernung von Proteinabfällen aus Zellen

Ein EU-Forschungsteam im Projekt SATBIOFUN entdeckte, dass die mikroskopischen Körnchen um das Zentrosom, die zentriolaren Satelliten, noch mehr Funktionen haben als bisher bekannt. In Verbindung mit der Entfernung fehlgefalteter Proteine sind sie an einer Reihe von menschlichen Erkrankungen beteiligt.

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Das Zentrosom besteht aus einem Paar Zentriolen, die in perizentriolarem Material eingebettet sind. Es hat verschiedene Funktionen: Von der Zellteilung, bei der es die Chromosomen voneinander trennt bis hin zur Bereitstellung der Basis zur Bildung der „Antenne“ der Zelle, der sogenannten primären Zilie. Um das Zentrosom herum konzentrieren sich kleine Körnchen, die zentriolare Satelliten genannt werden. Das EU-finanzierte Projekt SATBIOFUN erforschte die Funktion der zentriolaren Satelliten mithilfe von genetischer Manipulation gezüchteter menschlicher Zellen. „Hauptziel war es, herauszufinden, wie wichtig zentriolare Satelliten bei den Aktivitäten des Zentrosoms sind, wie bei der Duplikation des Zentrosoms oder Stressreaktionen der Zellen, die bei Krebszellen fehlerhaft verlaufen können, oder bei der Bildung von primären Zilien, die bei ziliopathischen Erkrankungen versagt“, erklärt Professor der Biochemie an der National University of Ireland, Galway, und Projektleiter Ciaran Morrison.

Zellen unter Stress durch missgebildete Proteine

Das Forschungsteam des Projekts SATBIOFUN wandte verschiedene Methoden an, um ausgewählte zentriolare Satellitenproteine zu entfernen, um deren Funktion sicherzustellen. Unter Verwendung der Methoden CRISPR-Cas9 und Gen-Knockdown durch Small interfering oder Silencing RNA (siRNA) wurden Klone menschlicher Zellen erstellt, denen die zu untersuchenden Proteine fehlen. Mithilfe detaillierter Mikroskopie wurde ermittelt, wie die Zellen ohne Satelliten auf verschiedene Stressfaktoren und Stimuli reagierten. „Wir untersuchten insbesondere die Beteiligung der zentriolaren Satelliten an der Regulierung zellulärer Reaktionen auf fehlgefaltete Proteine“, betont die Marie Skłodowska-Curie-Stipendiatin Suzanna Prosser. Fehlgefaltete oder überschüssige Proteine sammeln sich in Aggregatstrukturen, sogenannten Aggresomen, um die Zentrosome herum an (siehe Bild). Proteine, die mit Ubiquitin-Ketten markiert sind (im Bild in Rot) sollen durch Proteasome, zelluläre Entsorgungseinheiten, abgebaut werden. Zentriolare Satellitenproteine sind in Aggresomen zu finden. Insbesondere die Abwesenheit von Satellitenkomponenten beeinträchtigte die Bildung der Aggresomstrukturen und den adäquaten und zeitnahen Abbau der häufig fehlerhaften und fehlgefalteten Proteine, aus denen diese Proteinbraugruppen bestehen.

Wegweisende Ergebnisse schaffen Herausforderungen

Eine wichtige Entscheidung im Projekt war es, zu verfolgen, wie die Entfernung der zentriolaren Satelliten sich auswirkte, um ermitteln zu können, wie Zellen auf Probleme bei der Qualitätskontrolle von Proteinen reagieren. Morrison betont: „Dies erforderte eine gewisse Neuausrichtung unserer Analyse zentriolarer Satelliten, um der neuen und möglicherweise spannenden Biologie, die aus unserer Arbeit hervorgeht, Rechnung tragen zu können.“ Angesichts des neuen Wegs, der sich für die menschliche Gesundheit auftut, war eine weitere Herausforderung, diese Ergebnisse in Bezug auf Krankheiten zu untersuchen. Hierzu mussten neue Kooperationen eingeleitet werden und das relativ unbekannte Gebiet durch neue Zellmodelle erforscht werden.

Die Zukunft der Forschung an zentriolaren Satelliten

Das Team konzentriert sich weiterhin auf die Differenzierung von beschädigten Proteinen in Zellen. Es untersucht Mäuse, denen es an der Bildung zentriolarer Satelliten fehlt, und die Verbindung zu der Organelle, die für die Zerstörung von beschädigten Proteinen verantwortlich ist, das Proteasom. Schließlich sieht es sich auch Zellinien von Patienten mit Störungen der Proteinaggregation an, um herauszufinden, ob sich dies auf die zentriolaren Satelliten auswirkt. Man weiß, dass eine verminderte proteasomale Aktivität zur Alterung und zur Netzhautdegeneration beiträgt. „Unseren Ergebnissen zufolge ist es denkbar, dass Satellitenproteine zu Erkrankungen beitragen, die mit der Ablagerung von Proteinaggregaten zusammenhängen, oder dass die Manipulation von Satelliten dabei helfen könnte, solche Defekte zu verhindern“, sagt Prosser begeistert. Ein Gedanke ist, dass Zellen ohne Satelliten eine verringerte proteasomale Aktivität aufweisen und dass die Auswirkungen nur an älteren Zellen festgestellt werden können. „Unsere Vision für die zukünftige Forschung ist, dass wir auf Grundlage unserer ermutigenden Ergebnisse testen wollen, wie pathogene Varianten von Satelliten- oder aggresomen Proteinen die Zellfunktion beeinträchtigen“, so Morrison abschließend.

Schlüsselbegriffe

SATBIOFUN, zentriolare Satelliten, Proteine, Zentrosom, Krankheit, Stress, fehlgefaltete Proteine, zellulärer Stress, Proteasom

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