Membrankomplexität und der Übergang vom Pro- zum Eukaryoten

492 W I S S ENS CH AFT Zellmembranen Membrankomplexität und der Übergang vom Pro- zum Eukaryoten ERIK HANSPACH, SIMON STOCKHORST, SVEN B. GOULD INSTITUT FÜR MOLEKULARE EVOLUTION, UNIVERSITÄT DÜSSELDORF Biological membranes are a crucial part of cellular life and they provide important insights into fundamental evolutionary questions. Studying membranes and their composition sheds light on the origin of life itself and how it diversified, and touches upon the origin of eukaryotes and their cellular compartments. Here, we discuss the impact of membranes and their associated proteins on evolutionary research and what that might tell us about the emergence of the eukaryotic cell. DOI: 10.1007/s12268-019-1080-4 © Die Autoren 2019 ó Biomembranen sind ein essenzieller Bestandteil aller lebenden Zellen. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer Doppelschicht amphiphiler Lipide und eingelagerter Proteine, grenzen Zellen zu ihrem umgebenden Medium ab und definieren intrazelluläre Reaktionsräume. Neben ihrer abgrenzenden Funktion sind Membranen in eine Vielzahl zellulärer Prozesse involviert: Als Permeabilitätsbarrieren regulieren sie den Austausch von Stoffen zwischen Zellen und ihrer Umwelt; innerhalb der Zelle spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung von Signalen und ermöglichen mittels Konzentrationsgradienten und Membranpotenzialen die Erzeugung des Energieträgers ATP durch chemiosmotische Kopplung. Archaeen und Bakterien (Prokaroyten) sind hinsichtlich ihrer Membranen einfacher aufgebaut als Eukaryoten und besitzen vor allem meist keine intrazellulären, membrangebundenen Kompartimente. Bezüglich ihrer Biochemie sind eukaryotische und bakterielle Membranen allerdings einander recht ähnlich und weisen gemeinsam Unterschiede zu archaeellen Membranlipiden auf. Die Membranen von Bakterien und Eukaryoten bestehen vorwiegend aus einem hydrophilen Grundgerüst aus Glycerolphosphaten, die mit zwei hydrophoben Fettsäuren verestert sind. Membranen der untersuchten Archaeen bestehen hingegen aus Etherbindungen zwischen Glycerolkopfgruppen und hydropho- ben Isopreneinheiten. Während bakterielle Lipide typische Lipiddoppelschichten ausbilden, können Membranen der Archaeen aus Einzelschichten miteinander verbundener Isoprene (Glyceroltetraether) bestehen (Abb. 1B). Einer der definierenden Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischen Zellen ist das eukaryotische Endomembransystem. Es umfasst den Zellkern, das endoplasmatische Retikulum (ER), den Golgi-Apparat, Vakuolen, Endosomen, Peroxisomen und die zwischen den einzelnen Kompartimenten verkehrenden Vesikel (Abb. 1A). Darüber hinaus finden sich in Eukaryoten die Mitochondrien und in Algen und Pflanzen noch zusätzlich die Plastiden, beides Organellen endosymbiontischen Ursprungs. Einfache intrazelluläre Membranen finden sich auch in Prokaryoten; Beispiele sind die Thylakoide photosynthetischer Cyanobakterien, Einstülpungen der Plasmamembran von Gemmata obscuriglobus oder die Magnetosomen mancher Bakterien. In seiner evolutionär konservierten Form und Komplexität ist das eukaryotische Endomembransystem allerdings einzigartig, ˚ Abb. 1: Das eukaryotische Endomembransystem. A, schematische Darstellung einer eukaryotischen Zelle und ihrer intrazellulären Membranen. Letztere gehen evolutionär auf vom Endosymbionten sekretierte OMVs (outer membrane vesicles) zurück. Membranen grenzen Zellorganellen zum Cytoplasma ab und bewirken damit die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen. Ein komplexes Netzwerk aus Vesikeln sorgt für den Stoffaustausch und die Kommunikation zwischen einzelnen Organellen sowie der Plasmamembran der Zelle. Das Vorliegen von Proteinen der prokaryotischen Plasmamembran im eukaryotischen Endomembransystem liefert Hinweise auf dessen evolutionäre Entstehung. B, grundsätzlicher Aufbau archaeeller Lipide im Vergleich zu Lipiden bakterieller und eukaryotischer Membranen. Archaeelle Membranen können aus Einzelschichten miteinander verbundener Isopreneinheiten bestehen, während bakterielle- und eukaryotische Membranen aus Lipiddoppelschichten aufgebaut sind (modifiziert nach [1]). BIOspektrum | 05.19 | 25. Jahrgang WI SSENSCHA F T 495 ˘ Abb. 2: Schematischer Vergleich der Proteinkomposition der Hüllen verschiedener Vesikel. Gemeinsam ist allen gezeigten Vesikelhüllen ein Aufbau aus membranverankerten Proteinen (rot), Adapterkomplexen (blau) und formgebenden Komplexen aus coatomer-Proteinen (grün). Coatomer-Proteine aller umhüllter Vesikel bestehen aus β-Propeller-Domänen (dunkelgrün) sowie α-Solenoid-Domänen (hellgrün). und sein Ursprung ist verknüpft mit dem Ursprung des Mitochondriums und der eukaryotischen Zelle selbst. Eine kürzlich vorgeschlagene Theorie zieht hierbei die Rolle von Vesikeln in Betracht, welche von prokaryotischen Zellen in die Umwelt abgegeben werden. Vesikel sind sowohl außerhalb als auch innerhalb von Zellen von erheblicher Bedeutung: Sie werden von vielen Mikroorganismen in das extrazelluläre Medium abgegeben und können beispielsweise der Kommunikation mit benachbarten Individuen oder dem Transport toxischer Substanzen dienen, wodurch sekretierte Vesikel insbesondere in pathogenen Spezies von Bedeutung sind. Die Sekretion solcher outer membrane vesicles (OMVs) des endosymbiotisch aufgenommenen Bakteriums (Vorläufer des heutigen Mitochondriums) könnte zur Akkumulation von Membranvesikeln innerhalb der archaeellen Wirtszelle geführt haben (Abb. 1A). Fusionen der Vesikel untereinander sowie mit der Plasmamembran der Wirtszelle können im Verlauf der evolutionären Entwicklung des letzten gemeinsamen Vorfahren aller Eukaryoten (last eukaryotic common ancestor, LECA) zur Entstehung des heutigen eukaryotischen Endomembransystems geführt haben sowie den Aufbau heutiger eukaryotischer Membranen erklären [1]. Im Endomembransystem der Eukaryoten finden sich Proteine, welche aus der prokaryotischen Plasmamembran bekannt sind, und Mitochondrien sekretieren bis heute Vesikel in unseren Zellen. BIOspektrum | 05.19 | 25. Jahrgang Eukaryotische Zellkompartimente und deren Kommunikation durch Vesikel Nach der von Eberhard Schnepf formulierten Kompartimentierungsregel (Schnepf’sches Theorem) trennen Membranen nicht-plasmatische von plasmatischen Phasen ab. Der Transport von Molekülen zwischen den sich hieraus ergebenden Kompartimenten ist meist Vesikel-abhängig und benötigt Hunderte verschiedener Proteine. Ein sekretiertes Protein passiert zwischen seiner Synthese an den Ribosomen und seiner Sekretion in das extrazelluläre Milieu meist das Lumen des ER sowie des Golgi-Apparats. Um einen Kontakt solcher Proteine mit dem reduzierenden Milieu des Cytosols zu vermeiden, nutzen Zellen ein ausgeklügeltes, vesikelbasiertes Transportsystem (Abb. 1A). Cytosolische Vesikel weisen in der Regel eine Hülle aus Proteinen (coat) auf, welche die Reifung der Vesikel ermöglichen und ihre Identität sichern. Derzeit sind drei Arten von coated vesicles bekannt, die sich in den am Aufbau der Hülle beteiligten Proteine (...truncated)