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Wachsen und Überleben: Wie Proteine den Zellzyklus regulieren


Die Zellteilung ist die Grundlage allen Lebens. Bereits kleinste Fehler im Ablauf können zu Krankheiten wie Krebs führen. Damit alles nach Plan verläuft, müssen bestimmte Proteine zu bestimmten Zeitpunkten an- oder abgeschaltet werden. Biophysikern und Medizinern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es jetzt gelungen, den zugrundeliegenden Mechanismus dafür zu beschreiben. In der renommierten Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS, doi: 10.1073/pnas.1719774115) zeigen sie, wie Signalwege in der Zelle die Struktur von Proteinen verändern und so den Zellteilungszyklus zur richtigen Zeit in die richtige Richtung vorantreiben.

Der Zellzyklus ist ein extrem komplexer und genau festgelegter Prozess. "Die Mutterzelle muss ihre gesamten Bestandteile verdoppeln und sich dann in zwei Tochterzellen teilen. Dafür müssen zahlreiche Gene zu ganz bestimmten Zeitpunkten an- und abgeschaltet werden ", sagt der Biophysiker Prof. Dr. Jochen Balbach von der MLU. Der Zellzyklus ist in verschiedene Phasen unterteilt. Diese werden durch sogenannte Inhibitor-Proteine gesteuert, auch bekannt als CDK-Inhibitoren. Wie bei einer roten Ampel blockieren diese Proteine den Übergang in die nächste Phase so lange, bis die Zelle das entsprechende Start-Signal gibt. Das Signal, um die nächste Phase des Zellzyklus einzuleiten, kommt von einer speziellen Enzym-Gruppe, den Kinasen. "Bisher wusste man nur, dass Kinasen die Signale dadurch weitergeben, dass sie eine Phosphatgruppe an die CDK-Inhibitoren  hängen. Welche Kinasen das machen und der zugrunde liegende molekulare Mechanismus dafür war allerdings unbekannt", so Balbach weiter.

Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mechthild Hatzfeld, Direktorin des Instituts für Molekulare Medizin, aus der Sektion Pathobiochemie in der Medizinischen Fakultät der MLU konnten die Forscher diesen Signalweg nun erstmals beschreiben. Dabei kombinierten sie hochaufgelöste Kernspinresonanzspektroskopie-Daten mit zellbiologischen Methoden. So konnten die Forscher den Mechanismus zunächst im Reagenzglas und später direkt in der Zelle aufklären. Die Forscher fanden heraus: Die Kinasen verändern die Struktur der Inhibitor-Proteine und entfalten diese. So wird die ursprüngliche Funktionsweise der Inhibitor-Proteine aufgehoben und eine weitere blockierte Kinase freigesetzt, die dann das Signal zum Fortschreiten des Zellzyklus gibt. Diese lokale Entfaltung löst auch den Abbau des Inhibitors in der Zelle aus, wodurch die Richtung des Fortschreitens festgelegt wird. Die Forscher aus Halle gehen davon aus, dass dieser evolutionär konservierte Mechanismus die Grundlage vieler zellulärer Signalwege ist.