Nachweis von Ubiquitin in lebenden Zellen

Multifunktionaler Sensor unterscheidet Kettenstrukturen

Veröffentlicht am: Dienstag, 17. Juli 2012, 08:46 Uhr (038)


Bildtext: Zwei Anwendungen von Ubiquitin-Sensoren: links: zur Aufklärung der Dynamik von Signalwegen, an denen Ubiquitin beteiligt ist; rechts: Zum Aufspüren von Bereichen der Zelle, in denen Ubiquitin-Ketten angereichert sind.

Die Bindung des kleinen Moleküls Ubiquitin an verschiedene Proteine der Zelle (Ubiquitinierung) tritt in zahlreichen zellulären Prozessen und in den unterschiedlichsten Formen auf. Aber trotz der biologischen Relevanz des Moleküls sind die modernen Methoden zum Studium der Ubiquitin-Ketten in ihrer physiologischen Umgebung noch immer rudimentär und konzentrieren sich auf die biochemische Charakterisierung der Ketten, Substrate oder Ubiquitin-bindenden Domänen. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Molecular Cell beschreiben nun die Arbeitsgruppe um Sjoerd van Wijk aus dem Labor von Prof. Ivan Dikic (Institut für Biochemie II und Buchmann Institute of Molecular Life Sciences) die Entwicklung einer in vivo Anwendung in hohem Maße vielseitiger und spezifischer Poly-Ubiquitin Sensoren. Die Arbeit entstand in Kooperation mit Wissenschaftlern des Max Plank Instituts für Molekulare Physiologie in Dortmund.

Als multifunktionale Ubiquitin-Sensoren verwendeten die Autoren isolierte Ubiquitin-bindende Domänen des TAB2 (es bindet K63-assoziierte Ubiquitinketten spezifisch) und das lineare Ketten bindende Protein NEMO. Mithilfe biochemischer und biophysikalischer Methoden wiesen die Forscher nach, dass diese Sensoren zwischen den beiden strukturell ähnlichen Ubiquitin-Ketten unterscheiden können. Lineare und K63-assoziierte Ketten-spezifische Sensoren wurden anschließend verwendet, um ins Zytosol einer Zelle eingedrungene Salmonellen zu beobachten. Dies geschah durch die selektive Erkennung der Ubiquitin-reichen Hülle während der Autophagy, also dem Prozess, in dem die Zelle den Eindringling „verdaut“. Mit K63-Sensoren beobachteten sie selektiv den Abbau von Mitochondrien (Mitophagie) und Reaktionen auf Schädigungen der DNA in lebenden Zellen. Beide Sensoren waren schließlich in der Lage, endogene zelluläre Signalwege (den TNF- und IL-1-induzierten NF-κB-Weg) zu erfassen und auf sie einzuwirken.

In dem sie diese Ketten spezifischen Biosensoren entwickelten und ihre selektive Bindung an unterschiedliche Ketten in vitro und in vivo nachwiesen, haben die Forscher die aktuellen Methoden zur Untersuchung von Ubiquitin-Ketten in Zellen erweitert. Die vielseitige Anwendbarkeit, die von fixierten Proben bis zu lebenden Zellen rangiert, ist der Ausgangspunkt für weitere Methoden, mit denen andere Ubiquitin- und Ubiquitin-ähnliche Signale künftig aufgespürt und verfolgt werden könnten (z.B. SUMO oder LC3).

Zur Publikation in Molecular Cell (PDF)


Die Aufnahmen zeigen den Abbau von Mitochondrien (Mitophagie) in lebenden Zellen. Sichtbar wird der Prozess, indem K63-spezifische TAB2-Domänen der Mitochondrien an die von Prof. Dikic und seinen Mitarbeitern entwickelten multifunktionale Ubiquitin-Sensoren binden. (Für Experten: linker Kanal: GFP-TAB2-NZF (Sensor); mittlerer Kanal: mCherry-parkin (Mitchondrien); rechter Kanal: Überlagerung beider Kanäle). Über einen Zeitraum von 145 Minuten wurden alle zehn Minuten Aufnahmen der Zellen gemacht.