Molekularanalyse Zentrosomaler Strukturen in der Interphase

Zentrosomen sind die wichtigsten Mikrotubuli-organisierenden Zentren in tierischen Zellen und tragen zur mitotischen Spindelanordnung und Zellteilung, aber auch zur Zellmotilität, Polarität, zum intrazellulären Transport und zur Positionierung von Organellen bei. Innerhalb des Zentrosoms werden die Mikrotubuli- Nukleation und -Verankerung durch das sogenannte perizentriolare Material (PCM) vermittelt, das von einem Zentriolenpaar rekrutiert wird. Frühere Arbeiten an den Modellorganismen C. elegans und Drosophila haben dazu beigetragen, die grundlegenden molekularen Mechanismen zu definieren, die dem Zentriolaufbau sowie dem Aufbau und der Funktion des mitotischen PCM zugrunde liegen. Im Gegensatz dazu ist die Interphasen- PCM-Assemblierung weder im Zusammenhang mit kanonischen Zentriol-organisierten Zentrosomen noch im Zusammenhang mit den acentriolaren PCM-Ansammlungen, die auf zentriolaren Satelliten gefunden oder an andere zelluläre Orte in differenzierten Zellen umverteilt werden, noch wenig verstanden. Der Schwerpunkt dieses Einzelprojekts liegt auf der Charakterisierung von Interphase-Zentrosomenstrukturen, sowohl kanonischer als auch nicht-kanonischer Art, unter Nutzung der in C. elegans und Drosophila verfügbaren Werkzeuge und Methoden. Das Projekt gliedert sich in zwei Ziele, eine molekulare Charakterisierung des Zusammenbaus von Interphase-Zentrosomen und Zentrosomen-verwandten Strukturen in frühen Embryonen und späteren Entwicklungsstadien von C. elegans (Ziel 1) und des Zusammenbaus und der Funktion von zentriolaren Satelliten in C. elegans und Drosophila, aufbauend auf der Identifizierung von Orthologen der Kernstrukturkomponente PCM1 in diesen Spezies (Ziel 2). Ziel 1 umfasst die Anwendung von In-vivo-Mikroskopie, näherungsabhängiger Interaktionskartierung und gezieltem Proteinabbau, um Interphase-Zentrosomen zu untersuchen, wobei die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen mit denen verglichen werden, die den mitotischen PCM-Aufbau antreiben. Ziel 2 konzentriert sich auf die Charakterisierung von PCM1-Orthologen, wobei versucht wird, konservierte Merkmale, die der PCM1- Funktion bei allen Arten zugrunde liegen, zu identifizieren. Es beinhaltet außerdem eine Charakterisierung der In-vivo- und In-vitro-Dynamik von PCM1 und PCM1-enthaltenden zentriolaren Satelliten, wobei versucht wird, eine alternative Hypothese für den Satellitenaufbau basierend auf den Prinzipien der Flüssig-Flüssig- Phasentrennung zu bewerten. Die Stärken wirbelloser experimenteller Modelle wurde bisher nicht umfassend auf Interphase-Zentrosomen angewendet. Angesichts der evolutionären Konservierung grundlegender Zellstrukturen werden alle Erkenntnisse unser Verständnis einer biomedizinisch wichtigen Zellorganelle verbessern.

Vorherige Arbeiten an dem Fadenwurm C. elegans und der Fruchtfliege Drosophila haben dazu beigetragen, die grundlegenden molekularen Mechanismen zu definieren, die der Zentriolenassemblierung sowie dem Aufbau und der Funktion mitotischer Zentrosomen zugrunde liegen. Ziel dieses Projekts war es, die leistungsfähigen genetischen und mikroskopischen Methoden in diesen Modellorganismen zu nutzen, um besser zu verstehen, wie Zentrosomen während der Interphase entstehen - sowohl kanonische, durch Zentriolen organisierte Zentrosomen als auch die azentriolaren Strukturen, die auf Zentriolären Satelliten zu finden sind. Die in den vergangenen vier Jahren im Labor durchgeführten Arbeiten folgten im Wesentlichen dem ursprünglichen Plan. Ein wichtiges frühes Ergebnis war die Entwicklung einer neuen Methodik zur Identifizierung von Protein-Proximitätsinteraktoren in C. elegans auf entwicklungsstadien- sowie gewebe-/zelltypspezifische Weise. Seit der Veröffentlichung deser Methodik im Jahr 2022 haben wir die dafür notwendigen Reagenzien an zahlreiche Labore weltweit verteilt. Derselbe Ansatz sollte sich auch auf andere experimentelle Modelle übertragen lassen. Tatsächlich haben wir diesen bereits genutzt, um zentriolare Satelliten in Drosophila zu untersuchen. Die Arbeiten zu Zentrosomen haben sich mittlerweile von einer rein molekularen Beschreibung zu einer Charakterisierung ihrer Materialeigenschaften entwickelt, die für ihre Funktion als Mikrotubuli-organisierende Zentren entscheidend sind. Mit quantitativen Mikroskopiemethoden konnten wir feststellen, dass Zentrosomen - entgegen früherer Annahmen - nicht härter werden, wenn Zellen von der Interphase in die Mitose übergehen, sondern weicher und leichter verformbar. Theoretische Modellierungen zeigen, dass eine Erweichung der Zentrosomen Schwankungen in Spindellänge und Chromosomenpositionierung reduziert, was die potenziell schädlichen Auswirkungen von Spindelkräften auf die Chromosomentrennung abmildern könnte. Ein gewisser Grad an elastischer Nachgiebigkeit könnte zudem entscheidend dafür sein, das sich das mitotische Zentrosom erweitern kann und sein volles Mikrotubuli-Nukleationspotenzial entfaltet. Was zentriolarer Satelliten anbelangt, so führte die Charakterisierung von Aspekten ihrer Funktion, die zwischen Wirbeltieren und Drosophila konserviert sind, zur Entdeckung einer neuen Rolle für Satelliten: nicht im intrazellulären Transport, wie zuvor angenommen, sondern in der koordinierten Synthese von zentrosomalen und zilären Proteinen. Diese Erkenntnis stellt einen grundlegenden Wandel in unserem Verständnis dieser Strukturen dar und könnte auch neue Perspektiven auf die generelle Organisation von Zellen eröffnen.