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Biologie


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Dr. rer. nat. Ayelen Gonzalez Montoro

Dr. rer. nat. Ayelen Gonzalez Montoro
Labor für zelluläre Kommunikation

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Labor für zelluläre Kommunikation

Eukaryotische Zellen besitzen Organellen, die es ihnen ermöglichen Prozesse in Umgebungen zu trennen, welche auf ihre jeweiligen Funktionen spezialisiert sind: Zum Beispiel enthalten Mitochondrien alle Komponenten um die zelluläre Atmung auszuführen, während Lysosomen abbauende Enzyme enthalten, die Makromoleküle in ihre Bestandteilen zerlegen. Trotz dieser Kompartimentierung muss die Zelle als eine Einheit funktionieren in der die verschiedenen Organellen miteinander kommunizieren und Stoffe miteinander austauschen können

Einer der Wege, auf dem Organellen intrazellulär miteinander kommunizieren, sind sogenannte Membrankontaktstellen. Diese spezialisierten Kommunikationsplattformen sind Regionen, in denen sich die umschließenden Membranen zweier Organelle räumlich sehr nahe kommen. An diesen Stellen findet ein Austausch zwischen den Organellen statt, ohne dass diese miteinander fusionieren. Der Kontakt wird durch spezielle Proteine oder Proteinkomplexe hergestellt, sogenannte Tether. Tether können Transmembranproteine sein, Proteine, die mit spezifischen Lipiden der Membran eines Organells wechselwirken oder selbst durch eine Lipidmodifikation in der Membran verankert sind.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Organellen an Membrankontaktstellen:

  1. Die Organellen können Kräfte aufeinander ausüben.
    Der Kontakt zwischen Organellen kann Kräfte  hervorrufen die Organellen deformieren, sie an einer bestimmten Position in der Zelle verankern oder dafür sorgen, dass die beiden Organellen sich gemeinsam fortbewegen. Zum Beispiel wird die Stelle, an der sich Mitochondrien teilen, zuvor durch einen Kontakt mit dem Endoplasmatischen Retikulum deformiert. Dieser Membrankontakt markiert die Stelle, an der sich die Teilungsmaschinerie assembliert. 
  2. Organellen können Stoffe an Membrankontaktstellen austauschen.
    Die Organellen können luminales Material, wie Ionen oder lösliche Metabolite, über spezifische Kanäle, die an der Membrankontaktstelle lokalisiert sind, austauschen. Zudem können auch über Lipidtransportproteine Membranlipide ausgetauscht werden. Diese Proteine vermitteln die Aufnahme der individuellen Lipidmoleküle aus einer Membran und den Transport der Moleküle zu einer anderen Membran.

Abbildung 1. Struktur und Funktion einer Membrankontaktstelle: Sie werden durch Tether- Proteine oder Proteinkomplexe, die mit beiden Membranen interagieren, gebildet. Kanäle, die an den Membrankontaktstellen lokalisiert sind, können den Austausch von luminalen Molekülen vermitteln. Lipidtransportproteine können den Austausch von Membranlipiden vermitteln.

Membrankontaktstellen wurden mittlerweile zwischen allen Organellen der Zelle identifiziert. Allerdings ist für viele dieser Kontaktstellen nicht bekannt, welche Proteine als Tether fungieren oder in diesen Strukturen lokalisieren. Auch die Funktion dieser Proteine ist oft unbekannt. Entsprechend ist der Einfluss des Kontaktstellennetzwerkes im Bezug auf die Funktion der Zelle noch nicht vollständig verstanden.
Um dies zu untersuchen, fokussieren wir uns auf die Kontaktstellen, die von der Vakuole in der Hefe Saccharomyces cerevisiae geformt werden. Die Vakuole ist ein faszinierendes Organell: Sie nimmt Stoffe aus mehreren Quellen auf und baut Makromoleküle ab. Diese stehen daraufhin der Zelle erneut als Bausteine für den Aufbau von benötigten Makromolekülen zur Verfügung. Die Vakuole dient zudem als Speicher- und Entgiftungskompartiment, sowie als Zentrum für intrazelluläre Signaltransduktion.

Fragen, welche wir beantworten wollen:

  • Wie werden Kontaktstellen der Vakuole etabliert? Welche Proteine fungieren als Tether?
  • Welche Funktionen hat die Kontaktstelle? Werden Stoffe ausgetauscht?
  • Und wenn dies der Fall ist, welche Stoffe und für welchen Zweck?
  • Wie reagieren Sie auf den metabolischen Zustand der Zelle?
  • Welchen Einfluss haben diese Strukturen auf die Funktionalität der Zelle?

Wir nutzen die Hefe Saccharomyces cerevisiae als Modellorganismus aufgrund ihrer vielen Vorteile: es ist ein eukaryontischer Organismus, in dem viele Komponenten und Prozesse konserviert sind. Dies erlaubt eine Vergleich mit höheren Eukaryonten, wie zum Beispiel Menschen. Die Hefe kann allerdings einfacher genetisch modifiziert werden und wächst sehr schnell. Um unsere Fragen zu adressieren, nutzen wir eine große Vielfalt an Techniken, unter anderem aus der Genetik, Biochemie, sowie der Fluoreszenzmikroskopie.

Abbildung 2. Verschiedene Methoden zur Bestimmung der Lokalisierung/Tethering-Kapazität eines Proteins in einer Membrankontaktstelle. Cvm1 ist ein neu identifiziertes Protein, welches wir als Teil der Kontaktstelle zwischen Vakuolen und Mitochondrien sowie Vakuolen und Peroxisomen beschrieben haben. In (A) können wir mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie feststellen, dass dieses Protein (grün) zwischen zwei Organellen (blau/magenta) lokalisiert ist. In (B) ist die Lokalisierung von Cvm1 in der Schnittstelle von Mitochondrium (M) und der Vakuolen durch Elektronenmikroskopie zu sehen. Das Protein ist durch einen kleinen schwarzen Punkt erkennbar. In (C) wurde die Tethering-Kapazität des Proteins biochemisch nachgewiesen. Die Überexpression von Cvm1 verursacht einen Anstieg der Mitochondrienmenge (markiert durch das mitochondriale Protein Por1), die bei einer Aufreinigung von Vakuolen mit angereichert werden (markiert durch das vakuoläre Protein Vac8).

Ausgewählte Literatur

  • Laan, F Fröhlich, and C Ungermann* Vps39 interacts with Tom40 to establish one of two A González Montoro*, K Auffarth, C Hönscher, M Bohnert, T Becker, B Warscheid, F Reggiori, M van der functionally distinct vacuole–mitochondria contact sites (2018).. Developmental Cell, 2019  * Co-corresponding authors
  • PC Malia, J Numrich , T Nishimura, A González Montoro, CJ Stefan, C Ungermann. Control of vacuole membrane homeostasis by a resident PI-3,5-kinase inhibitor (2018). Proc Natl Acad Sci U S A.; 1;115(18):4684-4689
  • A González Montoro **, G Bigliani**, J Valdez Taubas. The shape of the transmembrane domain is a novel endocytosis signal for single-spanning membrane proteins (2017). Journal of Cell Science; 130(22):3829-3838.   ** Co-first authors
  • A González Montoro, C Ungermann. StARTing to understand membrane contact sites. (2015) Trends Cell Biol. 25(9):497-8.
  • A González Montoro, S Chumpen and J Valdez Taubas. The canonical DHHC motif is not essential for DHHC-Palmitoyltransferase mediated protein palmitoylation (2015). Journal of Biological Chemistry. 290(37):22448-59.  
  • A González Montoro, R Quiroga and J Valdez Taubas. Zinc co-ordination by the DHHC cysteine-rich domain of the palmitoyltransferase Swf1 (2013). Biochemical Journal. 454 (427–435).
  • R Quiroga, A Trenchi, A González Montoro, J Valdez Taubas and HJF Maccioni. Short transmembrane domains with high-volume exoplasmic halves determine retention of Type II membrane proteins in the Golgi complex (2013) Journal of Cell Science. 1;126:5344-9