Der Versuch, die Innenarchitektur der Zellen zu verstehen.

Wie stellst du dir das Innere unserer Zellen vor? Häufig mit winzigen Fabriken verglichen, fanden Zellen intelligente und ausgeklügelte Wege, ihre Innenräume zu organisieren. Die meisten biologischen Prozesse erfordern, dass Zellen Strukturen wie Proteine und Nukleinsäuren (wie DNA) zum richtigen Zeitpunkt zusammenbringen. Wissenschaftler des Center for Soft and Living Matter, innerhalb des Institute for Basic Science (IBS, Südkorea), haben erklärt, wie flüssigkeitsartige Tröpfchen aus Proteinen und DNA in vitro entstehen. Derzeit besteht ein großes Interesse daran, die molekularen Mechanismen hinter der Bildung solcher Tröpfchen zu verstehen, da sie mit einigen menschlichen Krankheiten wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) verbunden sind. Die Ergebnisse, die als Artikel im Biophysical Journal veröffentlicht wurden, zeigten, wie sehr die Sequenz der DNA bei der Bildung solcher Tröpfchen zählt.

So wie Wände eine Fabrik in Abteilungen unterteilen, verfügt die Zelle über Lipidmembranen, um ihren Raum in Organellen zu unterteilen. In den letzten 10 Jahren haben Wissenschaftler jedoch festgestellt, dass sich einige Zellkompartimente, die nicht von Membranen umschlossen sind, auch membranlose Organellen genannt, wie dichte Flüssigkeitströpfchen verhalten. Ein bisschen wie ein Team von Leuten, die sich in einem Großraumbüro treffen, um einen Job auszuführen, sind dies dynamische Baugruppen mit spezifischen Aufgaben. Wie aber diese membranlosen Organellen zusammengesetzt sind und von ihrem Inhalt beeinflusst werden, ist noch unklar.

Um einige dieser Fragen zu beantworten, testeten die Wissenschaftler des IBS, wie verschiedene Sequenzen von DNA Tröpfchen mit einem einfachen Protein aus einer einzigen sich wiederholenden Aminosäure, Lysin (Poly-L-L-Lysin), bilden. Die beiden haben gegensätzliche Ladungen, so dass sie sich gegenseitig anziehen, aber trotzdem in der Lage sind, in Lösung zu bleiben.

Das IBS-Team verglich doppel- und einzelsträngige DNA. Die doppelsträngige DNA wird wie eine Wendeltreppe in eine Spirale gedreht. Jeder Schritt der Treppe besteht aus zwei gebundenen Nukleotiden: Adenin mit Thymin (A-T) und Guanin mit Cytosin (G-C). Aufgrund ihrer Helixstruktur ist die doppelsträngige DNA recht steif und wird oft als starrer Stab modelliert. Im Gegensatz dazu ist die einzelsträngige DNA-Hälfte der Treppe in vertikaler Richtung, mit ungepaarten Nukleotiden, flexibler.

„Es war eine frustrierende Zeit vor etwa zwei Jahren, als wir ein Modelltröpfchensystem bilden wollten, das doppelsträngige DNA und Poly-L-L-Lysin enthält“, erinnert sich Anisha Shakya, der Hauptbeteiligte an der Studie. „Die beiden sammelten sich weiter an und wurden überstürzt. Auf der anderen Seite bildete die einzelsträngige DNA leicht Tröpfchen.“ Dieses Ergebnis, obwohl anfangs frustrierend, veranlasste Shakya, nach einer tieferen Erklärung zu suchen.

Die beiden an der Studie beteiligten IBS-Forscher fanden heraus, dass selbst bei gleicher elektrischer Gesamtladung zwischen zwei DNA-Molekülen die DNA-Sequenz letztlich die Stabilität und das Aussehen der flüssigkeitsartigen Tröpfchen bestimmt. „Da die Steifigkeit von DNA-Molekülen in Abhängigkeit von ihrer Nukleotidsequenz leicht abgestimmt werden kann, haben wir DNA-Moleküle mit gleicher Änderungsdichte, aber unterschiedlicher Sequenz verglichen“, erklärt John T. King. Beispielsweise konnte die einzelsträngige DNA mit nur T’s leichter Tröpfchen bilden als die einzelsträngige DNA mit nur A’s. Der Grund dafür ist, dass poly(T) flexibler ist als poly(A). Im Konzert ist bekannt, dass doppelsträngige DNA, die reich an A’s und T’s ist, steifer ist als ein Poly(GC) und die Zugabe von mehr Salzen erfordert, um Tropfen zu erhalten.

Das Team zeigte auch, dass Adenosintriphosphat (ATP), das typischerweise als Kraftstoffquelle in Zellen dient, die Bildung flüssigkeitsähnlicher Tröpfchen erleichtert. Mischungen aus Poly-L-L-Lysin und doppelsträngiger DNA, die typischerweise bei niedrigen Salzkonzentrationen ausfallen würden, bildeten leicht stabile flüssigkeitsartige Tröpfchen in Gegenwart von ATP.

Dies ist eine perfekte Plattform, um zu untersuchen, wie die Flexibilität von Nukleinsäuren die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung beeinflusst. „Der faszinierendste Teil ist die Vorstellung, wie Zellen diese sequenzabhängigen Informationen nutzen können, um die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung in vivo zu steuern und zu regeln“, schließt Shakya.

Mehr Informationen:
Anisha Shakya et al, DNA Local-Flexibility-Dependent Assembly of Phase-Separated Liquid Droplets, Biophysical Journal (2018). DOI: 10.1016/j.bpj.2018.09.022

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