Kryo-Elektronenmikroskopie

Struktureller Aufbau von Aktinfilamenten

Aktinfilamente sind Proteinfasern, die das innere Skelett einer Zelle bilden. Sie unterstützen viele zelluläre Prozesse wie die Zellbewegung und sind ein wichtiger Hauptbestandteil von Muskelzellen. Forschenden um Stefan Raunser am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund ist es gelungen, die Wassermoleküle im Aktinfilament sichtbar zu machen. Mit der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) zeigt die Gruppe nach Institutsangaben in noch nie dagewesenem Detail, wie Aktin-Proteine in einem Filament angeordnet sind, wie Adenosintriphosphat (ATP) in der Protein-Bindungstasche sitzt und wo sich einzelne Wassermoleküle positionieren und mit ATP reagieren.

Wout Oosterheert, Erstautor der aktuellen Publikation, vor dem Kryo-Transelektronenmikroskop „Talos Arctica“. © MPI für molekulare Physiologie

„Wir beantworten grundlegende Fragen des Lebens, die Forschende seit mehreren Jahrzehnten zu beantworten versuchen“, sagt Raunser. In eukaryotischen Zellen sind Aktin-Proteine im Überfluss vorhanden und schließen sich zu Filamenten zusammen. Ein Netzwerk dieser Filamente bildet das Zytoskelett der Zelle, das verschiedene Zellprozesse durch Bewegung steuert. So nutzen z. B. Immunzellen Aktinfilamente, um sich zu bewegen und Bakterien und Viren zu „jagen“. Bekannt war bisher, dass die Dynamik der Filamente durch ATP-Hydrolyse reguliert wird – die Reaktion von ATP mit Wasser, bei der eine Phosphatgruppe gespalten wird und Energie entsteht. Die molekularen Details hinter diesem Prozess blieben bisher jedoch ungeklärt.

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Mit Kryo-EM Bilder der Filamente erhalten

Da Aktinfilamente zu flexibel oder zu groß für Röntgenkristallisation und Kernspinresonanz sind, kann man detaillierte Bilder der Filamente nur mit der Kryo-EM erhalten. Raunsers Team nutzte bereits diese Technik, um ein neuartiges dreidimensionales atomares Modell der Filamente mit einer Auflösung von 0,37 Nanometern zu erstellen (2015) und beschrieb drei verschiedene Zustände, die das Aktinprotein im Filament annimmt (2018).

Kryo-elektronenmikroskopische Rekonstruktion von F-Aktin, gebunden an Mg2+-ADP-BeF3- (aufgelöst mit 2,2Å; zentrale Aktin-Untereinheit (blau), weitere Untereinheiten (grau), den Wassermolekülen entsprechende Dichten in Rot, ADP (gelb)). © MPI für molekulare Physiologie

In ihrer jetzigen Studie konnte das Team um Stefan Raunser einen neuen Auflösungs-Rekord aufstellen: Sie erhielten Strukturen aller drei Aktin-Zustände mit einer Auflösung von ca. 0,2  Nanometern und konnten so weitere Details sichtbar machen. Die dreidimensionalen Karten zeigen nicht nur alle Aminosäureseitenketten der Proteine, sondern verraten auch, wo sich Hunderte von Wassermolekülen befinden. Durch den Vergleich dieser neuen Strukturen mit denen von isoliertem Aktinprotein konnten sie folgern, wie sich die Wassermoleküle bewegen. Bei der Polymerisation verlagern sich die Wassermoleküle in der ATP-Bindungstasche so, dass nur ein einziges Wassermolekül vor dem ATP verbleibt, bereit, ein Phosphat anzugreifen und die Hydrolyse einzuleiten. Die durch diesen Ansatz erzielten präzisen Einblicke haben das Potenzial, die weitere Forschung auf diesem Gebiet voranzutreiben: „Unser hochauflösendes Modell kann Forschenden bei der Entwicklung kleiner Moleküle für die lichtmikroskopische Forschung an Geweben und letztlich für therapeutische Anwendungen unterstützen“, sagt Raunser.

Originalpublikation: Oosterheert W, Klink B. U, Belyy A, Pospich S, Raunser S (2022). Structural Basis of actin filament assembly and aging. Nature. DOI:10.1038/s41586-022-05241-8

Quelle: Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie

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