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Mainzer Neurobiologen identifizieren und lokalisieren Transportmoleküle in Zellen der Netzhaut

Vor knapp zehn Jahren war die generell wichtige sensorische Funktion von Zilien bei der Kommunikation einer Zelle mit ihrer Umwelt noch unbekannt, heute werden Defekte von Zilien für zahlreiche Krankheiten verantwortlich gemacht: Zilien sind kleine, haarähnliche Fortsätze an der Oberfläche von Zellen, die häufig zu deren Fortbewegung beitragen. So sind Zilien für den Eitransport im Eileiter zuständig, Zilien in der Luftröhre helfen beim Abtransport von Schleim und Fremdpartikeln, können bei Rauchern aber verkleben und ihre Funktion einbüßen. Zilien übernehmen auch wichtige sensorische Aufgaben: In der Niere messen sie den Flüssigkeitsstrom und die Zusammensetzung des Sekrets durch das dortige Kanalsystem und im Auge wird in den Fotorezeptoren mit Zilien Licht detektiert. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Ziliendefekte multimodale Funktionsstörungen zu Folge haben, so bedingen sie beispielsweise bei Patienten mit Usher-Syndrom die angeborene Taub-Blindheit. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun Schlüsselproteine charakterisiert und erstmals subzellulär lokalisiert, die den gerichteten molekularen Transport innerhalb von Zilien bewerkstelligen und daher für die Ausbildung und Funktion einer Zilie wesentlich sind. Darüber hinaus nehmen diese Proteine auch noch an ganz anderen Stellen wichtige Transportfunktionen ein, wie eine kürzlich in der Fachzeitschrift Journal of Cell Biology veröffentlichte Studie der Mainzer Forscher ergab.

Zilien oder Flimmerhärchen finden sich fast überall im Körper, nicht nur auf den Oberflächen von Epithelen, der obersten Zellschicht von Haut und Schleimhaut. "In den letzten Jahren hat man mehr und mehr entdeckt, dass eigentlich jede Zelle eine Zilie ausbilden kann", erklärt Univ.-Prof. Dr. Uwe Wolfrum vom Institut für Zoologie der JGU. "Wir riechen mit Zilien, wir sehen mit Zilien und mit Zilien kann die Zelle das Milieu, in dem sie lebt, sensorisch erfassen." Störungen der Zilienfunktion führen zu Ziliopathien, worunter völlig unterschiedliche Krankheiten fallen wie Mehrfingrigkeit, Erblindung, Nierendefekte oder Zwergwuchs. "Weil Zilien so wichtig sind, ist bei einem Defekt häufig der gesamte Organismus beeinträchtigt", so Wolfrum.

Entscheidenden Anteil an der Ausbildung und Funktion einer Zilie haben Moleküle des sogenannten Intraflagellaren Transports, kurz IFT-Moleküle. Diese Transportmoleküle bringen zum Beispiel in den lichtempfindlichen Sehzellen des Auges das Sehpigment Rhodopsin an Ort und Stelle. Wolfrum und seine Mitarbeiterin Tina Sedmak haben festgestellt, dass sich bestimmte IFT-Moleküle für den Transport zusammenschließen, während andere abseits bleiben, vielleicht um auf eine andere Fracht zu warten. "IFT-Moleküle sind wie ein LKW, der auf dem Bahnhof seine Ladung von einem Güterwaggon übernimmt und sie in ein abgelegenes Dorf bringt. IFT-Moleküle sind am Verladeprozess der Fracht an der Basis eines Ziliums beteiligt, hauptsächlich erfüllen sie aber wichtige Aufgaben beim darauffolgenden Transport der Fracht durch das Zilium selbst. So transportieren sie Zilienkomponenten zur Spitze einer wachsenden Zilie oder schaffen in den Sehzellen der Netzhaut Rhodopsin-Moleküle in das Zilium, wo es in die fotosensitiven Membranen eingelagert wird." Mit ihrer Arbeit an den Fotorezeptorzellen haben Sedmak und Wolfrum zum einen bestätigt, dass IFT-Moleküle eine zentrale Transportfunktion in Zilien erfüllen, und zum anderen erstmals nachgewiesen, dass FT-Moleküle dazu in bestimmten Kompartimenten organisiert sind und dort unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Für die  entsprechenden Untersuchungen kamen neuartige analytische Techniken der hochauflösenden Lichtmikroskopie und der Immunoelektronenmikroskopie zur Anwendung.

Außerdem fanden die Mainzer Neurobiologen heraus, dass IFT-Moleküle nicht nur in Zilien vorkommen, wie bisher angenommen. "Wir haben uns außer den Fotorezeptoren auch die Nervenzellen angeschaut, die keine Zilien besitzen. Hier fanden wir IFT-Moleküle in den dendritischen Fortsätzen, über die Lichtinformation von den Fotorezeptorzellen übernommen und im Nervennetzwerk der Netzhaut weitergeleitet wird", so Wolfrum. Die Transportmoleküle haben also auch außerhalb von Zilien eine Funktion. "Wahrscheinlich bringen sie die Rezeptoren für die Neurotransmitter, die von der Fotorezeptorzelle abgegeben werden, an die Spitze des Dendriten, wo sie dann in die dortige Synapse zur Detektion von ausgeschütteten Neurotransmittern eingebaut werden." Wolfrum vermutet aufgrund dieser Entdeckungen, dass IFT-Moleküle vielleicht schon lange bevor es Zilien gab, gerichtete Transportvorgänge in Zellen bewältigt haben und sieht darin wertvolle neue Hinweise auf die molekulare Evolution des IFT-Systems der Zelle.

Die Arbeiten zum IFT-System wurden im Rahmen des Graduiertenkollegs der Deutschen Forschungsgemeinschaft GRK 1044 „Entwicklungsabhängige und krankheitsinduzierte Modifikationen im Nervensystem“ und unterstützt durch die Rheinland-Pfalz-Graduiertenförderung durchgeführt. 

Veröffentlichung:
Tina Sedmak and Uwe Wolfrum
Intraflagellar transport molecules in ciliary and nonciliary cells of the retina
J Cell Biol 2010 189:171-186. Published April 5, 2010, doi:10.1083/jcb.200911095

 

“Foundation Fighting Blindness” honors Usher research in the Wolfrum lab

The research related to the Usher syndrome performed in the Wolfrum lab was honored by the patient trust Foundation Fighting Blindness in February 2008 during their annual “Day of Science” meeting in San Diego, CA, USA. The “Board of Directors Award” was presented to Uwe Wolfrum “For his contribution toward defining the role of Usher syndrome proteins in photoreceptor biology, thereby elucidating potential targets for treatments and cure”. The scientific success leading to this unrivaled award would not have been possible without the contribution of all lab members, post-docs doctoral, diploma and bachelor students and the skillful help of our technicians as well as the fruitful collaboration with our national and international collaborators.