Molekulare Mechanismen der Zytokinese

Die erfolgreiche Teilung einer Zelle in zwei Tochterzellen ist ein kritischer Schritt für die Vermehrung von Zellen. Dieser Prozess, genannt Zytokinese, ist eng verknüpft mit dem Kernteilungs Zyklus, was dazu führt, daß jede Tochterzelle mit einem vollständigen Set von Chromosomen und anderen essentiellen Organellen ausgestattet wird. Eine Zelle wird mittels eines mit der Plasmamembran assoziierten kontraktilen Acin-Myosin Ringes geteilt. Darüberhinaus gibt es starke Hinweise, daß Strukturen der zentralen Spindel ebenfalls eine große Rolle bei der Zellteilung spielen. Embryos, deren zentrale Spindel fehlt, beginnen die Zytokinese erfolgreich; Teilungsfurchen reichen tief in die Zelle hinein, ziehen sich jedoch wieder zurück und die Zellteilug mißlingt. Für den Bau der zentrale Spindel sind zwei Proteine essentiell: das Kinesin ähnliche CeMKLP1/ZEN-4 und das RhoGAP protein CYK-4. Wir konnten sowohl zeigen, daß diese beiden Proteine in vivo und in vitro miteinander assoziieren, als auch die jeweiligen Proteindomänen definieren, die diese Interaktionen vermitteln. Um jedoch unser Verständnis der molekularen Grundlagen der Zellteiung zu erweitern, ist es notwendig den genauen Mechanismus zu verstehen, durch den die zentrale Spindel gebaut wird. Daher ist es das Ziel dieses Projekts ein System zu entwickeln, mit dem die zentrale Spindel in vitro rekonstruiert werden kann und das daher eine Möglichkeit bietet, diesen Prozess auf mechanistischer Ebene zu verstehen. Des weiteren würde uns ein solches in vitro System in die Lage versetzen, die Regulationsmechanismen, die den Bau der zentralen Spindel steuern, zu studieren. Potentielle Regulatoren sind die Komponenten des Aurora B Kinase Komplexes, deren genaue Funktion in der Konrolle der zentralen Spindel in diesem in vitro System untersucht werden soll. Zusätzlich planen wir, die spezifischen Stellen innerhalb von ZEN- 4 und CYK-4 zu identifizieren, die von der Aurora B Kinase phosphoriliert werden. In weiterer Folge soll dann in C.elegans sowie in humanen Zellinien getestet werden, ob diese spezifischen Phosphorilierungen für die in vivo Funktion der beiden Proteine erforderlich sind.

Die Zelle ist die grundlegende Einheit des Lebens, da sie die Fähigkeit hat, sich zu reproduzieren. Voraussetzung für die Zellteilung ist eine vorangegangene Verdoppelung der Erbsubstanz DNA, die alle Anweisungen für die Funktionen der Zelle enthält. Die beiden identischen DNA-Kopien in Form der Chromosomen werden dann in die resultierenden Tochterzellen aufgeteilt, ein Vorgang, der als Mitose bezeichnet wird. Die Architektur innerhalb der Zelle, die für das Auseinanderweichen der Chromosomen verantwortlich ist, ist der sogenannte Spindelapparat. Er ist aus zahlreichen Mikrotubuli aufgebaut, fadenförmigen Elementen, die eine ausgesprochene Polarität aufweisen und kleine Partikel über relativ weite Distanzen transportieren können. Die Mikrotubuli stellen so etwas wie "Schienen" innerhalb der Zelle dar, entlang derer sich sogenannte Motorproteine in eine Richtung bewegen können. Diese Motorproteine binden an die zu transportierenden Moleküle und befördern ihre "Fracht" auf diese Weise an die entsprechenden Stellen der Zelle. Während der Mitose arbeiten die Motorproteine mit den Mikrotubuli zusammen, um die verdoppelten Chromosomen an entgegengesetzte Enden der Zelle zu ziehen. Nach der Mitose findet dann die eigentliche Zellteilung statt, diesen Vorgang nennt man Zytokinese. Die Teilung der Zelle wird durch einen weiteren Typus von fadenförmigen Molekülen bewerkstelligt, das Aktin, und durch einen speziellen Motor namens Myosin getrieben. Ein ganz ähnlicher molekularer Motor ist übringens auch für die Kontraktion von Muskeln verantwortlich. Damit sich die Zelle an der richtigen Stelle teilt, müssen Aktin- und Myosinfilamente in der Mitte der Zelle konzentriert sein, genau zwischen den auseinanderweichenden Chromosomen. Die Mikrotubuli des Spindelapparats signalisieren den Aktin- und Myosinmolekülen, wo sie sich anordnen müssen. Ausserdem sind Mikrotubuli wichtig für die endgültige Teilung der Zelle in zwei Tochterzellen. Das vorliegende Projekt beschäftigte sich mit einem speziellen Motorprotein, das wesentlich an der Organisation der sogenannten Zentralspindel beteiligt ist. Diese Zentralspindel entsteht, nachdem sich die Chromosomen voneinander entfernt haben. Ihre Struktur besteht hauptsächlich aus Mikrotubuli, die in antiparallelen Bündel angeordnet sind, welche an den Enden überlappen. Diese Bündel bilden ein Gerüst, an dem sich die für die Zytokinese wichtigen Moleküle konzentrieren. Eines der interessantesten Ergebnisse unserer Arbeit war die Entdeckung eines molekularen Mechanismus, der das genaue Timing der Gerüstbildung kontrolliert. Im Detail fanden wir, dass das Motorprotein, welches für die Anordnung der Bündel zuständig ist, durch ein Enzym verändert (phoshoryliert) wird, welches die mitotische Phase des Zellzyklus reguliert. Die Veränderung des Motors bewirkt, dass er sich nicht gut mit den Mikrotubuli verbinden kann und dass daher die Ausbildung der Bündel in der Mitose unterbleibt. Sobal die Zelle jedoch das Stadium der Mitose hinter sich gelassen hat, wird der Motor angeworfen und die Phase der eigentlichen Zellteilung beginnt. Uns interessiert auch, weshalb die Zellen den Motor währen der sogenannten Metaphase inaktivieren. Wir konnten jedenfalls bereits nachweisen, dass die Aufteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen nicht fehlerlos funktioniert, wenn der Motor während der Mitose angeschaltet bleibt.