Membranumbau durch ESCRT-III-Proteine

WI SSENSCHA F T 363 Membranbiologie Membranumbau durch ESCRT-III-Proteine JOACHIM MOSER VON FILSECK BIOCHEMIEZENTRUM DER UNIVERSITÄT HEIDELBERG (BZH) To maintain their function, cellular membranes require membrane remodelling, mediated by protein machineries like the ESCRT-III that deforms and breaks membranes in different cellular functions. Its mechanism of function is still unknown. However, recent findings on the ESCRT-IIIs’ structural and dynamic features, such as their ability to alter their shape, membrane-binding and mechanical properties, allow formulating interesting new hypotheses on how they can remodel membranes. DOI: 10.1007/s12268-022-1774-x © Der Autor 2022 ó Jede Zelle ist von einer Zellmembran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht besteht und die das Zellinnere von der Umgebung trennt. In eukaryotischen Zellen gibt es außerdem auch Lipidmembranen, die die intrazellulären Kompartimente (Organelle) umgeben und voneinander abgrenzen. So kann für jede zelluläre Funktion das optimale Umfeld aufrechterhalten werden, sei es im Cytosol oder in den entsprechenden Kompartimenten. Allerdings müssen diese Membranen für ihre Funktion umgebaut werden, etwa bei der Zell- und Organellteilung oder zur Bildung von Vesikeln im sekretorischen oder endoyztischen Weg. Diese Membranumbauten umfassen das Verformen, das Verschmelzen und das Abtrennen von zellulären Membranen und werden von unterschiedlichen Protein-Maschinen von innen oder von außen durchgeführt (Abb. 1A). Dabei ist wichtig, dass während des Umbaus die Membranen weitestgehend intakt bleiben, um ˘ Abb. 1: Membranumbau durch ESCRT-IIIProteine. A, ESCRT-III schneiden zelluläre Membranen aus dem Cytosol, entweder in ein Organell (links) oder ins Cytosol (rechts) hinein. B, Dafür müssen die ESCRT-III-Proteine von ihrer inaktiven Form (links) in ihre aktive Form (rechts) überführt werden. C, kryoelektronenmikroskopische Aufnahmen ringförmiger, spiralförmiger und helikaler ESCRT-III-Polymere. BIOspektrum | 04.22 | 28. Jahrgang A B C eine Durchmischung zwischen Innen und Außen zu minimieren. Da Membranen fluide sind, ist eine direkt Kraftübertragung von den Protein-Maschinen auf sie erschwert. Diverse (neue) Funktionen für eine urtümliche Membranschere Eine der Protein-Maschinen, die solche Membranumbauten durchführen, sind die endosomal sorting complex required for transport(ESCRT)-III-Proteine. Sie binden an zelluläre Membranen und verformen und trennen diese in diversen zellulären Zusammenhängen in Eukaryoten: 364 W I S S EN S CH AFT Zellbiologie, Biochemie, Biophysik und Strukturbiologie einen Einblick in wichtige Aspekte. Proteinstruktur als Schlüssel zum Funktionsmechanismus ˚ Abb. 2: Rekonstitutionen des Membranumbaus. Wird die ESCRT-III-Aktivität in vitro mit rekombinanten Proteinen und künstlichen Lipidmembranen nachgestellt, so lassen sich wichtige Zwischenschritte isolieren, die ein tieferes Verständnis der Dynamik der Vorgänge erlauben. Rekonstituierte ESCRT-III-Filamente auf Bizellen (links) und intakten Membranen (rechts). – bei der Bildung von intraluminalen Vesikeln in der endosomalen Reifung, – bei der Cytokinese, dem letzten Schritt der Zellteilung, – bei der Knospung von Mikrovesikeln und der bestimmter Virionen, – bei der Einbettung von Kernporen in die Kernmembran sowie deren Verschluss nach der Zellteilung, und – bei der Reparatur beschädigter Membranen. Diese Liste umfasst nur einen Teil der diversen Funktionen der ESCRT-III-Proteine, da in den letzten Jahren regelmäßig weitere entdeckt wurden [1]. In Bakterien und Archaeen sind ihre Aufgaben auf die Membranreparatur beziehungsweise Zellteilung begrenzt, da sie meist kein komplexes intrazelluläres Membransystem haben [2, 3]. Trotz der Vielseitigkeit der Aufgaben und der je nach Funktion unterschiedlichen Aktivatoren sind es immer die ESCRT-IIIProteine, die die Membranabtrennung durchführen. Dass ESCRT-III-Proteine in Bakterien, Archaeen und Eukaryoten ähnliche Aufgaben übernehmen, impliziert, dass sich der molekulare Funktionsmechanismus der Membranabtrennung in Milliarden Jahren nicht maßgeblich verändert hat. Dieser Mechanismus ist noch nicht entschlüsselt, allerdings geben jüngere Ergebnisse aus der Die Aminosäuresequenz der ESCRT-IIIProteine ist nicht gut konserviert, was die Entdeckung besonders der bakteriellen ESCRT-III-Proteine lange erschwert hat. Ihre Gemeinsamkeit liegt in ihrer Sekundärstruktur, die folglich ein Schlüsselelement für ihre Funktion sein muss. Alle ESCRT-III-Proteine bestehen aus mehreren α-Helices, wobei die C-terminalen Helices α-3 und α-4 an die N-terminalen, über eine Haarnadelschleife miteinander verbundenen Helices α-1 und α-2 binden können. In dieser geschlossenen Form sind die ESCRT-III-Proteine löslich und inaktiv (Abb. 1B). Werden sie jedoch aktiviert, öffnen sie sich und die Helices α-2 und α-3 formen eine einzige Helix α-2/3 (Abb. 1B). Diese Öffnung legt ein Bindestelle frei, die es den ESCRT-III-Proteinen erlaubt, an zelluläre Membranen zu binden und zu polymerisieren [4]. Die resultierenden ESCRT-III-Polymere bilden membrangebundene Ringe, Spiralen und Helices (Abb. 1C, [5, 6]). Während diese Aktivierung für manche ESCRT-III-Proteine Voraussetzung für ihre Funktion ist, können andere ESCRT-IIIProteine auch in ihrer geschlossenen Form polymerisieren. Allerdings konnte solche makromolekularen Polymere, im offenen oder geschlossenen Zustand, bisher nur im Reagenzglas erzeugt und noch nicht in Zellen beobachtet werden [7, 8]. Interessant ist hierbei auch die Vielzahl der ESCRT-III-Proteine: Selbst in den am wenigsten komplexen Lebewesen werden mindestens zwei ESCRT-III-Proteine für eine funktionierende Maschinerie benötigt. Saccharomyces cerevisiae hat acht ESCRT-IIIProteine, ebenso der Mensch, wo es zusätzlich vier Isoformen gibt. Nur wenige davon sind spezifisch für einzelne Funktionen (z. B. Chm7/CHMP7 auf der Kernmembran). Die meisten anderen funktionieren gemeinsam in allen Situationen und es ist unklar, inwieweit sie in ihren Aufgaben redundant sind. Jedoch konnte durch in vitro-Rekonstitutionen gezeigt werden, dass unterschiedliche ESCRT-III-Polymere ko-assemblieren können, wobei ein Strang aus einem ESCRT-IIIProtein parallel zu einem oder mehreren Strängen aus anderen ESCRT-III-Proteinen verläuft. Je nach der Art der verwendeten ESCRT-III-Proteine ändert sich die Form, die mechanischen Eigenschaften oder die Ausrichtung der Membranbindungsstelle der Mehrfachstränge gegenüber der der Einfachstränge (Abb. 1C, [4, 6]). Rein oder raus? Die Richtung des Membranumbaus Die ESCRT-III-Proteine sind cytosolisch; in den meisten beschriebenen Fällen schneiden sie Membranen vom Cytosol weg (z. B. Bildung intraluminaler Vesikel, Cytokinese, Virionenknospung). Dies führt zu dem Dilemma, dass die ESCRT-III-Proteine dort gebunden sind, wo die Membran für einen Schnitt zusammengeführt werden soll und sie sich also selbst im Weg sind (Abb. 1A). In später entdeckten ESCRT-III-Funktionen agieren di (...truncated)