Wie kommunizieren endoplasmatisches Retikulum und Zellkern?

Wie Kommunikation innerhalb unserer Zellen abläuft ist eine fundamentale Frage in der Biologie. Das endoplasmatische Retikulum (ER) und der Zellkern sind die zwei größten Zellkompartimente, wobei in Ersterem viele Proteine und Fette zusammengebaut werden und das Zweitere fast unser gesamtes genetische Material enthält. Wenn eine Zelle wächst, muss auch der Zellkern wachsen und das ER stellt dafür neue Proteine und Fette zur Verfügung. Die Verbindung zwischen ER und Zellkern ist dafür essentiell, jedoch ist bisher unverstanden, wie die Verbindung tatsächlich aufgebaut ist, wie sich ihre Form und ihre Anzahl während des Zellkernwachstums verändern und welche Moleküle diese Verbindung und Kommunikation zwischen ER und Zellkern regulieren. Diese Wissenslücke ist vor allem der technischen Herausforderung geschuldet, diese ER-Kern-Verbindungen zu visualisieren. Hierfür ist hoch- auflösende Mikroskopie nötig, die die Verbindungen zwischen ER und Zellkern räumlich vom Rest der ER- und Kernmembranen unterscheiden kann. Kürzlich konnte ich eine Methode entwickeln, die es erlaubt, Strukturen innerhalb von Zellen mit einer Auflösung von wenigen Nanometern während verschiedener Stadien des Zellkernwachstums zu visualisieren. Hierbei wird das Beobachten von lebenden, wachsenden Zellen mit hoch-auflösender 3D Elektronentomographie derselben Zellen kombiniert. Ich beabsichtige, diese Technik zusammen mit quantitativer Lebendzellmikroskopie und Manipulation der involvierten Moleküle dafür zu verwenden,umin meinem Forschungsprogramm die Struktur und Funktion der ER-Kern-Verbindung sowie deren molekulare Regulation zu offenbaren. Werden wir zuerst systematisch untersuchen, wie sich die Struktur der ER-Kern-Verbindung während des Zellkernwachstums verändert und wie dies die Effizienz des Transportes von Membranproteinen zwischen ER und Zellkern beeinflusst. Basierend darauf können erste Hypothesen wie die ER-Zellkern-Verbindung Transport und Kernwachstum kontrolliert, formuliert werden. Parallel dazu werden wir zugrundeliegende Schlüsselmoleküle durch das gezielte Ausschalten möglicher Kandidaten identifizieren, und damit eine gezielte molekulare Manipulation der strukturellen Eigenschaften der ER-Kern- Verbindung ermöglichen. Das wiederum erlaubt das Testen unserer anfänglichen Hypothesen zur mechanistischen Kontrolle des ER-Kern-Transports und des Zellkernwachstums durch die ER-Kern-Verbindung, und letztendliche das Aufdecken des molekularen Mechanismus, welcher der Struktur und der Funktion der Verbindung zwischen ER und Zellkern zugrunde liegt. Als Resultat wird diese Studie neues fundamentales Wissen wie die zwei größten, von Membranen eingegrenzten Kompartimente unserer Zellen miteinander kommunizieren, zu Tage bringen, und damit substantiell unser Verständnis für die Kommunikation innerhalb von Zellen erweitern.

Wie die Kommunikation innerhalb unserer Zellen abläuft, ist eine fundamentale Frage in der Biologie. Das endoplasmatische Retikulum (ER) und der Zellkern sind die zwei größten Zellkompartimente. Im ER werden viele Proteine und Fette zusammengebaut, während der Zellkern fast unser gesamtes genetisches Material enthält. Wenn eine Zelle wächst, muss auch der Zellkern wachsen, und das ER stellt dafür neue Proteine und Fette zur Verfügung. Die Verbindung zwischen ER und Zellkern ist dafür essentiell. Jedoch ist bisher nicht viel über den tatsächlichen Aufbau dieser Verbindung bekannt oder wie ihre Größe und Anzahl reguliert werden. Diese Wissenslücke resultiert hauptsächlich aus den technischen Herausforderungen bei der Visualisierung der ER-Kern-Verbindungen. Hierfür ist hochauflösende Mikroskopie nötig, die die Verbindungen zwischen ER und Zellkern räumlich vom Rest der ER- und Kernmembranen unterscheiden kann. Wir haben eine Mikroskopiemethode entwickelt, mit der sich Strukturen im Inneren von Zellen in Nanometerauflösung und in verschiedenen Stadien des Zellwachstums visualisieren lassen. Mithilfe dieser Technik haben wir die Struktur der Verbindung zwischen ER und Zellkern in drei verschiedenen Säugetierzellen untersucht. Dabei haben wir festgestellt, dass ER-Kern-Verbindungen schmale, sanduhrförmige Strukturen (ca. 15 nm Durchmesser) bilden, die sich von den Verbindungen innerhalb des ER unterscheiden. Bisher ging man davon aus, dass ER-Kern-Verbindungen den Verbindungen innerhalb des ER-Netzwerks ähneln. Unsere Beobachtung deutet stark darauf hin, dass ER-Kern-Verbindungen durch einen noch unbeschriebenen Mechanismus reguliert werden, der sich von dem bekannten Mechanismus zur Umgestaltung des ER unterscheidet. Darüber hinaus deutet die schmale und verengte Natur der Verbindungen auf ihre Rolle bei der Gewährleistung einer korrekten ER-Kern-Kommunikation und Homöostase hin. Möglicherweise funktionieren sie als Barrieren, die den Transport von Protein- und Fettmolekülen spezifisch regulieren. Dieses Projekt legt den Grundstein für viele spannende zukünftige mechanistische und funktionelle Studien, die Licht auf Genexpression, Kernorganisation und Krankheitsmechanismen werfen werden.