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Vesikeltransport in der Zelle – von der Analyse zur Biogenese

COPI-Vesikel, einer von drei Haupttypen intrazellulärer Transportvesikel, sind - vor allem durch Arbeiten der Forschungsgruppe Wieland, Heidelberg - ein herausragendes Beispiel dafür, wie man über die molekulare Analyse der Einzelkomponenten zu einem Verständnis der Biogenese und der Transportmechanismen der Membranvesikel gelangt.

Eukaryontenzellen zeichnen sich durch komplexe Membransysteme aus, die Stoffwechselräume (Kompartimente) voneinander trennen und zugleich die Stoffwechselprodukte und Botenstoffe zielgerichtet innerhalb der Zelle und nach draußen transportieren. Der Transport erfolgt über Vesikel, die sich von den gefalteten und verzweigten Zisternen der intrazellulären Membranen abspalten und wieder mit ihnen oder letztendlich mit der Plasmamembran verschmelzen, wo der Inhalt der Vesikel, beispielsweise Sekretionsproteine, freigesetzt wird. Dieser Prozess wird als Exocytose bezeichnet. Der umgekehrte Weg, die durch Vesikelabspaltung von der Plasmamembran erfolgende Aufnahme von Stoffen in die Zelle, heißt Endocytose.

Camillo Golgi (1843-1926). © Universitá degli studi di Pavia

Im Zentrum des exocytotischen und (teilweise auch) endocytotischen Transports innerhalb der Zelle steht der Golgi-Apparat, benannt nach dem italienischen Physiologen Camillo Golgi, der ihn mit der von ihm entwickelten Silberfärbung als „apparato reticulare interno" in den Neuronen des Hippocampus entdeckt hatte. Für seine Arbeiten zur Struktur des Nervensystems erhielt Golgi 1906 den Nobelpreis für Medizin. Die Bedeutung des Golgi-Apparates und des intrazellulären Membransystems sollte allerdings erst viel später, vor allem durch die Forschungen von Albert Claude, Christian de Duve und George Palade (Nobelpreis 1974) sowie Günter Blobel (Nobelpreis 1999) erkannt werden.

Drei Arten von Transportcontainern

Das Bild über den intrazellulären Vesikeltransport hat sich seit jenen inzwischen klassischen Arbeiten kompliziert. Es gibt einen regen Verkehr vor und zurück, für den unterschiedliche Frachtcontainer eingesetzt werden. Derzeit sind drei Haupttypen solcher Transportvesikel molekular näher beschrieben, die über die Proteinhüllen um ihre Membran herum definiert werden. Der als erstes bekannt gewordene Typ sind die sogenannten „Clathrin Coated Vesicles“ (CCV), auf Deutsch manchmal als Stachelsaumbläschen bezeichnet. Sie  bilden sich durch Einstülpung der Plasmamembran bei der Endocytose und vermitteln auch den Transport zwischen dem Trans-Golgi-Netzwerk, Plasmamembran und Endosomen und Lysosomen. Die beiden anderen Typen - COPI- und COPII-Vesikel genannt (COP steht für „Coat protein“) – sind für den Membranverkehr im Zellinneren zuständig: COPII-Vesikel transportieren neusynthetisierte sekretorische oder membrangebundene Proteine vom endoplasmatischen Retikulum (ER) zum Golgi-Apparat, genauer gesagt, zu dem zwischen ER und Golgi befindlichen „Intermediate Compartment“. COPI-Vesikel  vermitteln den Intra-Golgi Transport (zwischen den einzelnen Zisternen des Golgi-Apparates) sowie den retrograden (rückwärts gerichteten) Transport vom cis-Golgi-Netzwerk zum ER.

Endocytotischer und exocytotischer Vesikeltransport in der Zelle. © Nature Rev. Mol. Cell Biol. 10, 360-364 (2009)
Mit der Struktur, Funktion und Biogenese der COPI-Vesikel hat sich die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Felix T. Wieland vom Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH) intensiv befasst. In Kooperation mit der Gruppe um Prof. James E. Rothman (damals Sloan Kettering Institute in New York, heute Yale University) isolierten und reinigten die Heidelberger Forscher eine genügende Menge an COPI-Vesikel, um sie in ihren Bestandteilen chemisch zu analysieren. Dazu griffen sie auf Rothmans wegweisende Entdeckung zurück, dass der isolierte Golgi-Apparat im Reagenzglas COPI-Vesikel bilden kann. [Anmerkung: Die Isolation des Golgi-Apparates selbst, mit klassischen Zellfraktionierungsmethoden, darunter Ultrazentrifugation im Zucker-Dichtegradienten, wurde bereits Ende der 1960er Jahre entwickelt, unter anderem von J.D. Morré an der Purdue University, West Lafayette, Indiana, unter Beteiligung des Verfassers dieses Artikels.]

Wieland und seine Mitarbeiter wiesen nach, dass sich die COPI-Vesikel am Golgi-Apparat durch Bindung eines aus dem Cytosol stammenden löslichen Hüllproteins bilden, das einen Komplex aus sieben Untereinheiten (COPs) formt, der als Coatomer bezeichnet wird. Genomsequenzierungen zeigten, dass von den sieben Untereinheiten zwei (gamma und zeta), als Isotypen auftreten. Unterschiedliche Kombinationen dieser COPs führen zu drei stöchiometrisch aus je sieben Untereinheiten aufgebaute Isotypen von Coatomer, nämlich gamma1/zeta1; gamma1/zeta2; und gamma2/zeta1. Die drei Coatomer-Komplexe sind an unterschiedlichen Stellen im Vesikeltransportsystem lokalisiert und haben sehr wahrscheinlich unterschiedliche Funktionen. Vesikel mit dem Coatomer-Isotyp gamma2/zeta1 konnten die Forscher sogar von den anderen COPI-Vesikeln separat isolieren.

Biogenese der COPI-Vesikel

Prof. Dr. Felix T. Wieland; Biochemie-Zentrum Heidelberg. © Universität Heidelberg

Eine weitere Komponente, die für die Knospung der COPI-Vesikel am Golgi-Apparat aus dem Cytosol rekrutiert wird, ist der ADP-Ribosylierungsfaktor 1 (Arf1), ein kleines GTP-bindendes Protein. Stimuliert durch ein membranständiges GTPase-aktivierendes Protein (GAP) wird GTP bei der Vesikelbildung durch ARF zu GDP hydrolysiert. In der Membran sitzen außerdem Transmembranproteine aus der Familie der p24-Proteine, die als Coat-Rezeptoren fungieren.

Aus den molekularen Eigenschaften und dem Bindungsverhalten der einzelnen Komponenten haben die Heidelberger Forscher ein detailliertes Modell entwickelt, wie die Knospung der COPI-Vesikel von der Golgi-Membran schrittweise erfolgen kann. Dieses Modell wurde in vitro in einem liposomalen System getestet. Es kann unter anderem erklären, dass Coatomer an die Golgimembran über ARF und p24-Proteine gebunden wird, wodurch es zu einer Konformationsänderung von Coatomer kommt, die seine Polymerisierung auf der Membran bewirkt und die Membran zu einer Krümmung in die Knospenform zwingt. Die Vermutung liegt nahe, dass auch die Lipidzusammensetzung der Membran bei der Vesikelbildung eine Rolle spielt.

Die Lipide der COPI-Vesikel

Schon seit Jahrzehnten ist bekannt, dass jede Zellorganelle ein für sie charakteristisches Lipidmuster aufweist. Da die Organellen, zum Beispiel ER und Golgi-Apparat, durch vesikulären Membrantransport verbunden sind, könnte man annehmen, dass die Lipidzusammensetzung der Transportvesikel derjenigen der Donor- oder der Rezipienten-Membran oder aber einem intermediären Muster zwischen beiden entspricht. Als das Heidelberger Team die Lipide der COPI-Vesikel und ihrer Donor-Membranen, der Golgi-Zisternen, analysierten, fanden sie, dass der Gehalt an Sphingomyelin und Cholesterol (zwei Lipide, die in hohen Konzentrationen besonders für die Plasmamembranen charakteristisch sind) in den Vesikeln – im Vergleich zu den Golgi-Membranen - drastisch verringert ist.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Golgi-Stapels und sekretorischer Vesikel. © Institut für Zellbiologie, Universität Freiburg

Besonders überraschend war aber der Befund, dass eine bestimmte Molekülspezies von Sphingomyelin, die Stearinsäure (18:0) als Fettsäure enthält, entgegen dem Trend in den COPI-Vesikeln um den Faktor 12 angereichert war. Die Forscher schließen daraus, dass es es eine spezifische Interaktion der vesikulären Membranproteine mit den Lipiden gibt, die zu deren Selektion und Sortierung führt.

Viele Fragestellungen zur Biogenese und dem Transport von COPI-Vesikeln sind natürlich noch nicht gelöst. Im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs „Dynamik makromolekularer Komplexe im biosynthetischen Transport" (SFB 638) untersucht Wieland gegenwärtig in zwei Forschungsprojekten die „Dynamik der COPI Assemblierung" (zusammen mit PD Dr. Britta Brügger vom BZH) und die „Dynamik der Strukturen von Coatomer" (zusammen mit Dr. John Briggs vom Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium Heidelberg). Wieland selbst ist Sprecher des SFB 638, der im Januar 2008 in seine zweite Förderperiode ging.

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