Struktur und Isoformdiversität des Arp2/3 Komplexes

Die Bewegung von Zellen spielt sowohl in physiologischen Prozessen, wie der Entwicklung von Organismen und der Immunantwort, als auch in pathologischen Vorgängen, wie Metastasierung von Krebs, eine wichtige Rolle. Das Aktin-Zellskelett und die mit ihm assoziierten Faktoren sind ein zentraler Bestandteil der Maschinerie, die Zellbewegungen ermöglicht. Aufgrund der Relevanz des Aktin-Zellskeletts für die Zellbewegung und andere zelluläre Prozesse führt seine Deregulierung oft zu pathologischen Zuständen, wie etwa der oben-genannten Krebsmetastasierung. Zudem verwenden manche Krankheitserrerger das Aktin-Zellskelett um sich effektiver im Körper ausbreiten zu können. Aus diesen Gründen ist das Aktin-Zellskelett der Focus umfangreicher Forschungsvorhaben. Diese versuchen die grundlegenden Mechanismen seiner Regulation und seines Auf-/Abbaus zu verstehen und damit potentielle Therapiemöglichkeiten gegen die mit dem Aktin-Zellskelett verbundenen Pathologien zu finden. Einzelne Aktin-Moleküle formen Filamente. Diese wiederum können verschieden angeordnet werden um unterschiedliche Strukturen zu generieren, welche die notwendige Kraft für die Bewegung von Zellen bereitstellen und ihnen erlauben ihre Umgebung zu erkunden oder sogar zu verändern. Ein wichtiger Regulator des Aktin-Zellskeletts ist der aus sieben Untereinheiten bestehende Arp2/3 Komplex. Neben seiner Rolle in der Steuerung der Zellbewegung ist der Arp2/3 Komplex auch ein Ansatzpunkt für bakterielle und virale Strategien zur Ausbreitung von Infektionen. Der Arp2/3 Komplex erlaubt es Aktinfilamente sich zu verzweigen, wenn er aktiviert wird, an ein bereits existierendes Filament bindet und von dort aus die Bildung eines neuen Filamenten induziert. Eine solche Verzweigung wird als Branch Junction bezeichnet. Im Zuge seiner Aktivierung, verändern die Untereinheiten des Arp2/3 Komplexes ihre Position zueinander. Um diese Neuanordnung des Arp2/3 Komplexes genauer zu verstehen und damit ein tieferes Verständnis in seine Funktion zu erlangen, sind detaillierte strukturelle Einblicke in die Branch Junction notwendig. Aufgrund Limitierungen konventioneller Strukturbiologiemethoden war dies aber bis jetzt nicht möglich. In unserem Projekt werden wir neueste Kryo-Elektronenmikroskopiemethoden und Bildverarbeitungsansätze verwenden um eine Struktur der Branch Junction innerhalb der Zelle mit einer Auflösung besser als 1 Nanometer zu ermitteln und so erste hochaufgelöste Einblicke in die Anordnung des aktiven Arp2/3 Komplexes generieren. Zusätzlich werden wir molekularbiologische und mikroskopische Methoden mit neuen Bildverarbeitungsmethoden kombinieren, um die Rolle von Arp2/3 Komplex Untereinheiten zu studieren, und um zu verstehen wie diese die Stabilität und Dynamik der Branch Junction regulieren. Zusammenfassend wird unser Forschung neue Informationen über einen essentiellen Regulator des Aktin-Zellskeletts und seine Rolle bei einer Vielzahl von physiologischen und pathologischen Prozessen liefern. 1

Die Bewegung von Zellen spielt bei vielen eine grundlegende Rolle, etwa bei der Entwicklung eines Organismus, der Immunantwort oder der Krebsmetastasierung. Der Schlüsselfaktor für die Bewegungsfähigkeit von Zellen ist das sogenannte Aktin-Zytoskelett und eine Vielzahl an damit verbundenen Faktoren. Das Aktin-Zytoskelett ist Gegenstand umfangreicher Forschung, um die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die sowohl der Regulierung seines dynamischen Auf- und Abbaus zugrunde liegen, als auch um therapeutische Ansätze zu entwickeln, die auf damit verbundene pathologische Zustände abzielen. Einzelne Aktin-Moleküle formen Filamente. Diese wiederum können verschieden angeordnet werden um unterschiedliche Strukturen zu generieren, welche die notwendige Kraft für die Bewegung von Zellen bereitstellen und ihnen erlauben ihre Umgebung zu erkunden oder sogar zu verändern. Ein wichtiger Regulator des Aktin-Zellskeletts ist der aus sieben Untereinheiten bestehende Arp2/3 Komplex. Neben seiner Rolle in der Steuerung der Zellbewegung ist der Arp2/3 Komplex auch ein wichtiger Faktor für die Ausbreitung von bestimmten viralen oder bakteriellen Infektionen. Um Aktinfilamentnetzwerke zu erzeugen, muss der Arp2/3-Komplex einen Aktivierungsprozess durchlaufen, der große strukturelle Anordnungen umfasst. Um zu verstehen, wie die Aktivierung des Arp2/3-Komplexes erfolgt und damit Einblick in seine genaue Funktion zu erhalten, sind detaillierte Strukturinformationen über die sogenannte "branch junction" (gemeint ist der aktive Komplex in Verbindung mit Aktinfilamenten) erforderlich. Aufgrund methodischer Einschränkungen der bestehenden konventionellen strukturbiologischen Ansätze konnten diese detaillierten Informationen lange Zeit nicht erlangt werden. In unserem Projekt haben wir neuartige Kryo-Elektronenmikroskopie- und Bildverarbeitungsansätze angewendet, um die Struktur der Arp2/-Komplex branch junction direkt in Zellen mit Auflösungen von weniger als einem Nanometer zu visualisieren. Dadurch konnten wir erstmals beschreiben, wie der aktive Arp2/3-Komplex aufgebaut ist. Darüber hinaus haben wir eine Software zur quantitativen Analyse von Kryo-Elektronenmikroskopiedaten welche zellulärer Aktinnetzwerke visualisieren entwickelt. In Kombination mit genetisch veränderten Zellen haben wir die Bedeutung einer Arp2/3-Komplex-Untereinheit und ihrer Isoformen weiter aufgeklärt, indem wir in einem integrierten zellulären Strukturbiologie-Ansatz beschrieben haben, wie die Arp2/3-Komplex-Zusammensetzung die Stabilität und Dynamik der branch junction sowie die Positionierung zusätzlicher Co-Faktoren bestimmt. Zusammenfassend haben unsere Ergebnisse relevante neue Informationen über einen wichtigen Regulator des Aktin-Zytoskeletts und seine Rolle in einer Vielzahl von physiologischen und pathologischen Prozessen geliefert.