Motor der Zellteilung nachgebaut

Seit einer Milliarde Jahren läuft dieser eine zelluläre Prozess ab und doch sind wir weder in der Lage, ihn nachzubilden, noch ihn vollständig zu verstehen. An der Mitose, diesem für das Leben so wichtigen Mechanismus der Zellteilung, sind im Kern mehr als 100 Proteine beteiligt. Nun ist es der Gruppe um Prof. Andrea Musacchio vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund (MPI) gelungen, den Motor der Mitose-Maschinerie, das Kinetochor, vollständig nachzubauen. Dies ist der erste Schritt zur Herstellung künstlicher Chromosomen, die eines Tages eingesetzt werden könnten, um fehlende Funktionen in Zellen wiederherzustellen.

Ein Wunder der Natur

Wenn eine menschliche Zelle mit der Teilung beginnt, verdoppeln sich ihre 23 Chromosomen. Dabei bleiben die identischen Chromosomen zunächst miteinander über das Zentromer verbunden. In dieser speziellen Region sitz ein komplexer Zusammenschluss von Proteinen, das Kinetochor, an das fadenartige Mikrotubuli binden können. Läuft die Mitose fehlerfrei ab, gibt das Kinetochor den Mikrotubuli grünes Licht für die Trennung der beiden identischen Chromosomen in die beiden neu entstehenden Tochterzellen. „Das Kinetochor ist eine wunderschöne, makellose Maschine: In einer normalen Zelle verliert man fast nie ein Chromosom“, sagt Musacchio. „Wir kennen bereits die Proteine, aus denen es besteht, doch wichtige Fragen zur Funktionsweise des Kinetochors sind noch offen: Wie baut es sich während der Verdopplung der Chromosomen neu auf? Wie bindet es an die Mikrotubuli? Und wie steuert es sie?“

Ein Lebenswerk

Musacchios Suche nach Antworten begann vor mehr als 20 Jahren und wurde von einem einfachen Motto geleitet: „Bevor wir verstehen, warum etwas schief läuft, wollen wir verstehen, warum und wie Dinge funktionieren“. Deshalb machte er es sich zur Aufgabe, das gesamte Kinetochor im Reagenzglas nachzubauen. Im Jahr 2016 konnte er bereits mit der Herstellung eines nahezu vollständigen Kinetochors, dass aus 21 Proteinen bestand, einen großen Erfolg feiern.

In der neuen Publikation ist es Musacchio nun zusammen mit seinem Doktoranden Kai Walstein und weiteren Kollegen am MPI Dortmund gelungen, den Apparat vollständig zu rekonstruieren: Alle Untereinheiten, jene, die das Zentromer binden, bis zu jenen, die die Mikrotubuli binden, sind nun in der richtigen Anzahl und Verhältnis vorhanden. Dass das neue System funktioniert, bewiesen die Wissenschaftler, indem sie erfolgreich Teile des ursprünglichen Kinetochors in der Zelle durch künstliche ersetzten. „Dies ist ein echter Meilenstein in der Rekonstruktion eines zellulären Apparates, der seit mehr als einer Milliarde Jahren unverändert in allen eukaryotischen Zellen existiert“, sagt Musacchio. „Dieser Durchbruch ebnet den Weg zur Herstellung von synthetischen Chromosomen, die Funktionen tragen und in Organismen repliziert werden können. Das Potenzial für biotechnologische Anwendungen könnte enorm sein“.

In der Proteinfabrik

Eine große Hürde beim Nachbau des Kinetochors war die vollständige Rekonstruktion des hochflexiblen Centromeric Protein C (CENP-C), das das Zentromer mit den äußeren Proteinen des Kinetochors verbindet. Die Forscher bauten CENP-C auf, indem sie die beiden Enden des Proteins zusammenklebten.

Entscheidend für den Wiederaufbau solch komplexer Proteinanordnungen wie dem Kinetochor ist ein hoch organisiertes Labor, das ähnlich wie eine Fabrik funktioniert. Für jedes Protein des Kinetochors entwickelten die MPI-Wissenschaftler einen speziell zugeschnittene Produktionsstraße, in der Gene, die den Bauplan des Proteins tragen, zunächst isoliert werden, bevor sie dann in Kulturen aus Insektenzellen produziert und anschließend gesammelt und aufgereinigt werden. „Wenn wir die Proteine dann im Reagenzglas zusammensetzen, klicken sie ineinander und bauen so das Kinetochor auf, genau wie LEGO-Steine, wenn man der Bauanleitung folgt“, sagt Andrea Musacchio. Anders als die berühmten Plastiksteine hat jedoch jedes Kinetochor-Protein eine andere Form und Oberfläche und auch unterschiedliche Wechselwirkungen mit angrenzenden Proteinen.

Die Gruppe um Andrea Musacchio wird nun noch einen Schritt weitergehen und die nächste Stufe der Komplexität erreichen: Sie wird untersuchen, wie das Kinetochor in Gegenwart von Mikrotubuli und zugeführter Energie in Form des zellulären Energieträgers ATP funktioniert und interagiert. Das Projekt wurde kürzlich mit einem ERC Synergy Grant ausgezeichnet und wird von einem internationalen Team bestehend aus Musacchios Gruppe und Forschern aus Cambridge in England und Barcelona in Spanien durchgeführt.

Originalpublikation:

Walstein K, Petrovic A, Pan D, Vogt D, Vetter I & Musacchio A.
„Assembly principles and stoichiometry of a complete human kinetochore module“
Science Advances

https://doi.org/10.1126/sciadv.abg1037

http://www.mpi-dortmund.mpg.de