Molekulare Mechanismen der Membranreparatur mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unter normaler Beanspruchung erleiden Zellmembranen von Muskelzellen kontinuierlich kleine Läsionen. Um dem Zelltod nach Verletzung zu entgehen, haben die Zellen effektive Reparaturmechanismen entwickelt. Manche Muskelkrankheiten sind mit dysfunktionaler Membranreparatur assoziiert. Jedoch sind selbst Kernaspekte der Zellreparatur bislang nicht hinreichend aufgeklärt. Wir haben Membranreparaturprozesse untersucht, wobei molekulare und zelluläre Untersuchungen mit der Entwicklung und Anpassung von Höchstleistungs-Bildgebungsmethoden (Konfokalmikroskopie, Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie (SMLM), Einzelmolekülverfolgung (SPT) und korrelativer Elektronen- und Lichtmikroskopie (CLEM)) kombiniert wurden. Als Modellsystem wurde der transparente Zebrafisch-Embryo eingesetzt, der die Visualisierung der Membranreparatur nach laserinduzierter Verletzung von Muskelzellen in Echtzeit ermöglicht. Zum Vergleich wurden diese Arbeiten durch Messungen an Zellen in Kultur ergänzt. Als erste Notmaßnahme werden Membranläsionen mit einem provisorischen Pfropfen verschlossen, der u.a. die Proteine Dysferlin (Dysf) and verschiedene Annexine enthält; erst danach wird die Zellmembran wieder erstellt. Wir haben herausgefunden, dass Makrophagen durch Präsentation von Phosphatidylserin (PS) an der Außenseite der Läsion veranlasst werden, den Pfropfen zu phagozytieren. Das Membranprotein Dysf vermittelt die PS-Anreicherung. Eine Mutationsanalyse ergab, dass Dsyf ein polybasisches Motiv aus fünf Aminosäuren enthält, das für den Transport von PS und die Membranreparatur essentiell ist. Diese Ergebnisse bieten eine mechanistische Erklärung für das Auftreten von Muskeldystrophien im Zusammenhang mit Dysf-Genmutationen. Es stellt sich die Frage, wo die Materialien für die Membranreparatur herkommen. Annexine und andere zytosolische Proteine können einfach unter dem Influx von Ca2+ lokal präzipitieren. Da praktisch keine Vesikel mittels Elektronen- oder Lichtmikroskopie gefunden werden konnten, müssen Membranproteine und Lipide von angrenzenden, unversehrten Membrangebieten hinzukommen. Wir haben untersucht, ob Caveolae, nanoskalige Membraneinstülpungen bei der Membranreparatur beteiligt sind. Caveolae können unter Stress auseinanderfallen und so eine flächige Membranstruktur ermöglichen. Wir haben durch Messen der Dynamik caveolärer Strukturproteine zeigen können, dass Caveolae nach Membranläsion mobilisiert werden und lokal auffalten. Auf der Zeitskala von 14 h starben mehr als die Hälfte der lädierten Zellen in Zebrafisch-Mutanten ohne Caveolae, während alle Zellen im Wildtyp überlebten. Diese Ergebnisse zeigen, dass Caveolae eine essentielle Rolle bei der Wiederherstellung der Membran spielen. Wir haben das Verständnis für die Reparaturprozesse von Zellmembranen signifikant erweitert, was für technologische Anwendungen dieser empfindlichen Nanostrukturen notwendig ist. Therapeutische Ansätze zur Behandlung von Muskeldystrophien könnten ebenfalls davon profitieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dysferlin-mediated phosphatidylserine sorting engages macrophages in sarcolemma repair. Nature Communications, 7(1).
Middel, Volker; Zhou, Lu; Takamiya, Masanari; Beil, Tanja; Shahid, Maryam; Roostalu, Urmas; Grabher, Clemens; Rastegar, Sepand; Reischl, Markus; Nienhaus, Gerd Ulrich & Strähle, Uwe
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Microtome-integrated microscope system for high sensitivity tracking of in-resin fluorescence in blocks and ultrathin sections for correlative microscopy. Scientific Reports, 7(1).
Lemercier, Nicolas; Middel, Volker; Hentsch, Didier; Taubert, Serge; Takamiya, Masanari; Beil, Tanja; Vonesch, Jean-Luc; Baumbach, Tilo; Schultz, Patrick; Antony, Claude & Strähle, Uwe
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Distinct amino acid motifs carrying multiple positive charges regulate membrane targeting of dysferlin and MG53. PLOS ONE, 13(8), e0202052.
Zhou, Lu; Middel, Volker; Reischl, Markus; Strähle, Uwe & Nienhaus, G. Ulrich
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Caveolae disassemble upon membrane lesioning and foster cell survival. iScience, 27(2), 108849.
Štefl, Martin; Takamiya, Masanari; Middel, Volker; Tekpınar, Miyase; Nienhaus, Karin; Beil, Tanja; Rastegar, Sepand; Strähle, Uwe & Nienhaus, Gerd Ulrich
