Molekularanalyse des Aufbaus und der Funktion von Zentriolen

Zentriolen haben zwei verschiedene Funktionen in eukaryotischen Zellen: 1) Sie bilden Zentrosomen, die durch die Rekrutierung von perizentriolärem Material die Mikrotubuli des Zytoskeletts organisieren; und 2) Sie bilden Zilien, zelluläre Projektionen, welche kritische sensorische und motorische Funktionen ausführen. Zentrosom- und Zilienanomalien sind mit Aneuploidien, Tumorentstehung und Entwicklungsstörungen wie Ziliopathien und Mikrozephalie verbunden. Trotz ihrer Bedeutung für physiologische Prozesse im Menschen und deren Pathologien ist unser Verständnis von Zentriolen auf der molekularen Ebene, bedingt durch deren geringe Größe, weiterhin lückenhaft. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die molekularen Grundlagen des Aufbaus und der Funktion der Zentriolen mit Hilfe biochemischer, zellbiologischer und genetischer Methoden im Fadenwurm C. elegans zu erforschen. Die geplanten Arbeiten sind in drei Ziele unterteilt. Erstens der Zentriolaufbau, insbesondere die Rolle der Zentriolkomponenten SAS-4, -5 und -6. Darin beinhaltet ist eine molekulare Charakterisierung dieser Proteine, deren Wechselwirkungen untereinander und mit -Tubulin sowie a/ß-Tubulin im Kontext der neunfach- symmetrischen Zentriolstruktur. Weiters wollen wir die in vivo Folgen von erbkrankheitsassoziierten Mutationen in SAS-4 studieren, die den Aufbau oder die Funktion von Zentriolen in der Zentrosom- oder Zilienbildung beeinträchtigen könnten. Das zweite Ziel widmet sich der Charakterisierung der Rolle von Zentriolen als Zentrosomorganisatoren, durch die Identifikation von Komponenten der perizentriolären Matrix, die sich um die Zentriolen bildet, und der Untersuchung der Dynamik dieses Prozesses in der Zelle. Des weiteren sollen in vivo Filmaufnahmen Aufschluss über die Rolle von Mikrotubuli-Motoren in der Zentrosombildung geben, sowie Faktoren, die am Zentrosomabbau beteiligt sind, identifizieren. Das letzte Ziel addressiert die Rolle der Zentriolen in der Bildung von Zilien, aufbauend auf der Grundlage der Identifikation des Hydrolethalussyndromproteins HYLS-1 als Bindungsglied zwischen Zentriolaufbau und Zilienbildung. Experimente in diesem Ziel beinhalten die Beschreibung der molekularen Schritte, die der Umwandlung von Zentriolen in Basalkörpern unterliegen, mit besonderem Augenmerk auf Proteine, die wie HYLS-1 in direktem Kontakt mit Zentriolen stehen. Die hier kurz zusammengefassten Experimente haben das Ziel, die Vorteile von C. elegans als experimentelles System zu nützen, um ein besseres Verständnis des Aufbaus und der der Funktion von Zentriolen zu gewinnen. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit wird es sein, die klinische Relevanz unserer Ergebnisse mit entsprechenden Experten zu untersuchen.

Zellen sind der fundamentale Baustein allen Lebens auf unserem Planeten. Im Menschen sind dies eine Anzahl von 100 Billionen Zellen. Diese beachtliche Menge entsteht durch eine Reihe von Teilungen der befruchteten Eizelle, gefolgt von komplexen Interaktionen zwischen den daraus resultierenden Tochterzellen. Dabei spielen zwei Zellstrukturen eine besondere Rolle: Zum einen die Zentrosomen, welche die mitotische Spindel ausbilden und damit die Teilung der Zelle inklusive des auf den Chromosomen kodierten Erbmaterials koordinieren. Zum anderen die Zilien, Strukturen an der Zelloberfläche, die als Antenne der interzellulären Kommunikation dienen und damit die Ausbildung der Gewebe und Organe steuern. Beide Strukturen basieren auf demselben Fundament, den Zentriolen, unscheinbar kleinen Körperchen im Zellinneren. Ziel dieses START Forschungsprojektes war es, die molekularen Grundlagen des Aufbaus und der Funktion von Zentriolen mit Hilfe biochemischer, zellbiologischer und genetischer Methoden in Modellorganismen, insbesondere des Fadenwurms C. elegans, zu untersuchen. Diese Arbeiten waren in drei Bereiche unterteilt. Erstens, ein Studium des Zentriolaufbaus. Hier galt unser besonderes Augenmerk den Grundlagen des Zusammenhalts des Zentriolenpaars im Inneren des Zentrosoms sowie deren Stabilität. Der zweite Bereich widmete sich der Zentrosomenbildung. Hier erforschten wir insbesondere die Dynamik dieses Prozesses in der Zelle, sowie den Beitrag den Zentriolen dazu leisten. Unsere Ergebnisse zeugen von sehr ungewöhnlichen Eigenschaften der zentrosomalen Bausubstanz, die wir derzeit mit biochemischen und biophysikalischen Methoden untersuchen. Des Weiteren konnten wir mit Hilfe eines Lasers die Zentriolen innerhalb des Zentrosoms akut entfernern und dadurch deren andauernde Funktion in späteren Schritten der Zellteilung nachweisen. Zuletzt befassten wir uns mit der Rolle von Zentriolen in der Zilienbildung. Hier untersuchten wir einerseits Strukturen die sich direkt an den Zentriolen bilden. Andererseits konnten wir anhand der natürlichen Degeneration von Zentriolen im Fadenwurm deren alleinig indirekte Funktion in späteren Schritten der Zilienbildung nachweisen, ein unerwarteter Unterschied zu deren obig beschriebenen kontinuierlichen Funktion im Zentrosom. Zentrosom- und Zilienanomalien sind beim Menschen mit Tumorentstehung und Entwicklungsstörungen wie Ziliopathien und Mikrozephalie assoziiert. Die hier beschriebenen Arbeiten hatten das Ziel, die fundamentalen Eigenschaften dieser klinisch relevanten Strukturen zu erforschen. Ein direkt auf diese Ergebnisse aufbauendes Projekt in unserem Labor befasst sich unter anderem damit, die Dysfunktion von Zilien gemeinsam mit Experten aus dem klinischen Bereich zu analysieren.