Äußere Reize steuern den Auf- und Abbau des Skeletts im Kern von Säugetierzellen

Das Team um den Pharmakologen Prof. Robert Grosse steuert in einer Studie den Auf- und Abbau der Aktinfilamente im Zellkern mit physiologischen Botenstoffen und zeigt, welche Signalmoleküle den Vorgang lenken. Die Ergebnisse erscheinen im Fachjournal Nature Communications.

Nicht nur in Muskelzellen spielen sie die Hauptrolle: Die Aktinfilamente sind eines der häufigsten Proteine in allen Säugetierzellen. Die fadenförmigen Strukturen bilden einen wichtigen Teil des Zellskeletts und -bewegungsapparats. Zellbiologinnen und -biologen der Universität Freiburg zeigen nun in Zellkulturen, wie Rezeptorproteine in der Membran dieser Zellen Signale von außen an Aktinmoleküle im Kern weiterleiten, die daraufhin Fäden bilden.

„Wie ein Hormon oder ein Wirkstoff die Zelle dazu bringt, die Filamentbildung im intakten Zellkern einzuleiten, war bisher unbekannt“, erklärt Grosse. Er fand schon 2013 heraus, dass Aktinfäden im Kern gebildet werden, als er Zellen Serumbestandteilen aussetzte. Im Kern kommt Aktin meist als einzelnes Protein vor. Erst auf ein Signal hin formt es Filamente.

Aktinfilamente ähneln einer doppelten Perlenkette und bilden mögliche Ankerpunkte oder Leitbahnen für die Strukturen im Zellkern: Sie strukturieren dort die DNA – etwa wie dicht die Chromosomen in Form von Chromatin verpackt sind. Das beeinflusst die Ablesbarkeit des Erbguts. „Was wir hier haben, ist ein allgemeingültiger Mechanismus, der zeigt, wie äußere Signale in kürzester Zeit das Zellskelett im Kern steuern und das Erbgut umorganisieren können“, betont Grosse.

Der Signalweg, der bis in den Kern reicht, ist ein alter Bekannter des Pharmakologen: der G-Protein-gekoppelte Rezeptorweg. Wirkstoffe, Hormone oder Signaltransmitter binden an den Rezeptortypen in der Zellmembran, der einen Angriffspunkt für eine Vielzahl von Arzneistoffen darstellt. Der Rezeptor leitet über eine Signalkaskade eine Kalziumfreisetzung in der Zelle ein. Das Kalzium, zeigt das Team, bewirkt dann an der inneren Membran des Zellkerns, dass von dort aus Filamente gebildet werden. In der Studie machten sie mit Fluorenszenzmikroskopie und gentechnischen Methoden sichtbar, wie die Aktinfilamente im Kern auftauchten, nachdem physiologische Botenstoffe wie Thrombin und LPA an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren gebunden hatten.

Im Forschungsprojekt innerhalb des Exzellenzclusters der Universität Freiburg CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies befasst sich Grosse nun mit den genaueren Vorgängen im Zellkern: „Wir wollen in meinem Team in Freiburg im Detail herausfinden, wie die Filamentbildung die Ablesbarkeit des Erbguts beeinflusst und welche Rolle die innere Zellkernmembran dabei spielt.“

Originalstudie:
Wang Y, Sherrard A, Zhao B et al. GPCR-induced calcium transients trigger nuclear actin assembly for chromatin dynamics. Nat Commun 2019;10:5271. doi:10.1038/s41467-019-13322-y
Video zu den Siganlwegen