Molekulare Spezien von Lipiden in Hefe

Eukaryontische Zellen sind kompartimentiert in subzelluläre Organellen, die sich durch unterschiedliche chemische Zusammensetzung und biologische Funktion auszeichnen. Da Organellen nicht de novo, sondern während der Zellteilung von der Mutter- zur Tochterzelle vererbt werden, sind sie potentielle Träger einer biologischen Information, die unabhängig ist von der DNA-kodierten Information des Genoms. Die Membranen dieser Organellen weisen eine unterschiedliche und oftmals charakteristische Lipid-Zusammensetzung auf, was die Vermutung zulässt, dass die Membranen selbst vererbbare Information besitzen, welche in ihrer spezifischen Protein/Lipid-Zusammensetzung verschlüsselt vorliegt. Gegenstand des vorgeschlagenen Wissenschaftsprojektes ist es, der Frage nachzugehen, wie diese spezifische Lipid-Zusammensetzung einer Membran bestimmt und aufrechterhalten wird. Der von uns gewählte Weg zur Erarbeitung dieses komplexen Themas sieht vor, den Werdegang von genau definierten Lipid-Molekülen, d.h. von molekularen Lipid-Spezies zu studieren. Dies ist ein neuer Ansatzpunkt zur Untersuchung der Struktur- Funktionsbeziehung von Membranen, welcher erst aufgrund technischer Neuerungen, der schnellen und hochempfindlichen Analyse der molekularen Lipid-Zusammmensetzung von Membranen mittels Nano-Elektrospray Tandem Massenspektroskopie (ESI-MS/MS), überhaupt ermöglicht worden ist. Unter der molekularen Spezies eines Lipides versteht man ein Lipid von definierter chemischer Struktur, d.h. mit bekannter Fettsäure- und Kopfgruppen-Zusammensetzung. Zelluläre Membranen bestehen typischerweise aus Dutzenden verschiedener molekularer Spezies von Lipiden, deren detaillierte Charakterisierung aufgrund technischer Unzulänglichkeiten bislang jedoch kaum praktikabel war. Erst unter Verwendung von ESI-MS/MS konnten wir in vorangegangenen Arbeiten eine umfassende Charakterisierung der molekularen Lipid- Zusammensetzung von neun verschiedenen Membranen der Hefe durchführen. Diese Analyse hat uns ermöglicht, molekulare Lipid-Spezies zu identifizieren, welche für bestimmte subzelluläre Membranen charakteristisch sind. Der Werdegang dieser Lipid-Spezies soll nun genauer analysiert werden; so soll zum Beispiel die Synthese eines ungewöhnlichen, mit einer sehr langen Fettsäure (C26) veresterten Phosphatidylinositols mittels biochemischer und genetischer Methoden untersucht werden. Des weiteren sollen Synthese-, Transport- und Abbau-Wege eines typischerweise in der Plasmamembran zu findenden Lipides unter Verwendung von mutanten Hefestämmen untersucht werden. Von den Resultaten solcher Untersuchungen wird erwartet, dass sie wesentlich zur Verbesserung unseres derzeitigen Verständnisses zellulärer Membranen beitragen. Fortschritte sind insbesondere auf dem Gebiet der räumlichen Organisation biosynthetischer Reaktionswege sowie der Fragestellung nach der Synthese, dem Abbau und dem "Remodeling" von molekular definierten Lipid-Spezies zu erwarten.

Um ein normales und gesundes Zellwachstum sicherzustellen, müssen Proteine an ihren jeweiligen Bestimmungsort in der Zelle transportiert und dort auch stabilisiert und zurückgehalten werden. Ziel dieses Forschungsprojektes war es, die Rolle der Lipide in diesem Prozess genauer zu untersuchen. Durch zwei unabhängige Studien konnten wir zeigen, dass die Fettsäurezusammensetzung der Membranlipide einen entscheidenden Einfluss auf den Proteintransport und die Retention von Proteinen in ihrer jeweiligen Zielmembran hat. Erstens, Inhibierung der Fettsäuredesaturierung in der Membran des endoplasmatischen Retikulums hat zur Folge, dass die einzige und essentielle Delta 9 Fettsäuredesaturase der Hefe ihre subzelluläre Verteilung schnell und in einer reversiblen Art und Weise verändert. Diese Resultate lassen daher vermuten, dass die Desaturase, welche selbst ein integrales Membranprotein ist, eine höhere Affinität für geordnetere und mehr gesättigte Membrandomänen hat. Die zweite Studie, welche im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführt und abgeschlossen wurde, brachte eine unerwartete Funktion der sehr langkettigen Fettsäuren von Sphingolipiden im subzellulären Transport und der Stabilisierung des häufigsten Proteins der Plasmamembran, der protonenpumpenden ATPase, zum Vorschein. Mutante Zellen, welche statt der normalen C26 eine kürzere C22 Fettsäure haben, können die ATPase an der Plasmamembran nicht stabilisieren und transportieren das Enzym weiter zur Vakuole, wo es durch Hydrolyse abgebaut wird. Dieser Fehler in der Stabilisierung der ATPase an der Plasmamembran korreliert mit einer fehlenden Assoziation des Enzyms mit sogenannten Raft-Domänen, welche durch ihre Unlöslichkeit in milden Detergentien charakterisiert sind. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass möglicherweise die fluideren, nicht- raftassozierten Membrandomänen der Plasmamembran bevorzugt internalisiert und