Elucidating the molecular mechanism of actin function in mammalian clathrin-mediated endocytosis: plasma membrane tension as a potential regulator
Cell Biology
Final Report Abstract
Endozytose benennt man den Prozess, der die Plasmamembrane der Zelle von einer flachen Oberfläche in ein rundes Vesikel einstülpt. Dieses Vesikel enthält Moleküle, die in der Zelle Signalkaskaden auslösen können und der Nährstoffversorgung dienen. Das Vesikel wird von der Plasmamembran abgeschnürt und in die Zelle zur weiteren Verarbeitung transportiert. An der clathrin-induzierten Endozytose (CIE) sind eine Machinerie von ca. 60 Proteinen beteiligt ist. Unter anderem entwickelt das Aktinzytoskelett Kräfte um die Plasmamembran in der CIE gegen ihrer innere physikalische Spannung zu verformen. Diese Spannung setzt sich in tierischen Zellen aus der Verankerung der Plasmamembran an das Zytoskelet der Zelle und der inneren Fettmolekühlzusammensetztung zusammen. Jedoch ist es nicht bekannt auf welche mechanische Weise das Aktinzytoskelett diese Kräfte generiert, um die Membran in der CIE zu verformen. In dieser Studie haben wir den Mechanismus der Kräfteentwicklung des Aktinzytoskellet in der CIE mittels hochauflösender Fluoreszensmikorkospie untersucht. Die strukturelle hochaufgelöste Organisation von Aktin im Laufe von CIE gab uns die Möglichkeit zu erklären wie Aktin die Plasmamembran verformen kann. Wir haben mit einer sehr hohen Anzahl von hochaufgelösten Clathrinvesikeln, die mit Aktin assoziiert sind, einen Zeitverlauf auf Grund der Clathrinform erstellen können. Des weiteren haben wir mittels quantitativer totaler internen reflektierenden fluoreszierender Lebendmikroskopie in Zellen ermittelt, wann der Prozess von der CIE in unserem Zellmodel auf ein Anstieg der Plasmamembranspannung reagiert. Diese Information haben wir benutzt um mit Chemikalien, die die Aktinzytoskelettpolymerisierung inhibieren, zu testen, wann im Verlaufe von der CIE die Aktinkraftentwicklung unter erhöhter Membranespannung erforderlich ist. Des weiteren, haben wir unter dieser erhöhten Membranespannung untersucht, wie das Aktinzytoskelett strukturell darauf reagiert, um mehr benötigten Kräfte zu entwickeln. Unsere Ergebnisse der quantitativen Lebendzellmikorskopie zeigen auf, dass die Lebenszeit des fluoreszierenden Clathrin sich unter erhöhter Membranspannung verlängert. Wir schliessen daraus, dass sich der gesamte Prozess der CIE an der Plasmamembran verlangsamt. Bei erhöhter Membranspannung ist die Aktinkräfteentwicklung schon in einem sehr frühen Stadium der CIE, wenn die Plasmamembran sich von der flachen Oberfläche einwölbt erforderlich. Die hochauflösende Mikroskopie zeigt hier auf, dass Aktin schon sehr früh über die noch sehr abgeflachte Clathrinstruktur wächst und Kräfte orthogonal zur Plasmamembran ausübt, um die Clathrinstruktur und die unterliegende Membran zu verformen. Da wir mittels der Verformung von hochaufgelösten Clathrinstrukturen die erst sehr flach sind und sich dann zu einem Vesikel verformen quantitative den Prozess aus hunderten Strukturen rekonstruieren konnten, konnten wir ebenfall erstmals die Enwicklung des assozierten Aktins rekonstruieren. Unerwarteter Weise, haben wir nicht eine bestimmte Entwicklung der Organization des Aktins gefunden, sondern sehr unterschiedliche Organizationen in der sehr frühen, der mittleren, dann wenn sich die Membran des Vesikels von der der Plasmamembrane abschnürt und in der sehr späten Verlaufsphase gefunden. Aus diesen Ergebnissen schlagen wir in unserem Model vor, dass der Prozess der CIE unterschiedlichen regionalen Membranspannungen in der Zelle ausgesetzt ist und Aktin genau die Kräfte generiert, die dann für die jeweilige existierende physikalische Membranspannung notwendig ist, um die Plasmamembrane zu verformen. Deswegen, können wir eine sehr heterogene organisatorische Entwicklung des Aktins in CIE in sogar derselben Zelle auflösen. Unsere Studie kommt zu dem Schluss, dass die Aktinorganisation sich an die jeweilige existierende Membranspannung in individuellen Prozessen der CIE in der Zelle adpatiert, um die erforderlichen Kräfte zu generieren. Dieses Model der Kräfteentwicklung könnte sich auch auf andere endozytischen Prozesse und Membranverformungen an Organellen an denen Aktin beteiligt ist übertragen lassen. Vielmehr ist es nun wichtig herrauszufinden, welche Aktinstruktur regulierenden Proteine an dem apdaptiven Mechanismus beteiligt sind, um den Mechnismus der Kraefteentwicklung vollständig zu verstehen, der elementar ist um Signalprozesse und die optimale Versorgung der Zelle mit Nährtstoffen zu gewährleisten. Unsere Studie hat hiermit eine neue Verständnisgrundlage des Mechanismus der Aktinkräfteentwicklung in membranverformenden Prozessen in der tierischen Zellen geschaffen.
Publications
- Direct comparison of clathrin-mediated endocytosis in budding and fission yeast reveals conserved and evolvable features. eLife
Yidi Sun, Johnannes Schoeneberg, Shirley Chen, Tommy Jiang, Charlotte Kaplan, Ke Xu, Thomas D. Pollard, David G. Drubin
(See online at https://doi.org/10.7554/eLife.50749)
