Membranfusion

Erstmals gefilmt: Wie Vakuolen verschmelzen

Das Innere von Zellen ist durch Membranen in verschiedene Bereiche unterteilt. Darunter finden sich auch bläschenförmige Gebilde, so genannte Vesikel oder Vakuolen. Wissenschaftler konnten nun erstmals im Detail filmen, wie Vakuolen miteinander verschmelzen. Die entstandenen Videos bieten einen faszinierenden Einblick ins Innere von Zellen und bieten überraschende Erkenntnisse über den Mechanismus der Membranfusion.

Zellen nutzen Vakuolen und die kleineren Vesikel als universelles Transport- und Speichersystem: Die membranumhüllten Bläschen können sowohl von der Zelloberfläche nach innen wandern, wie bei der Phagozytose , als auch in umgekehrter Richtung, wie bei der Reifung und Ausschüttung des Hormons Insulin. Vielfach verschmelzen diese Membranbläschen auch miteinander, um bestimmte Reaktionen in Gang zu setzen. Besonders gut lässt sich dieser Vorgang in Hefezellen studieren. Deren Vakuolen sind so groß, dass sie auch im Lichtmikroskop sichtbar sind.

Diesen Vorteil nutzten William Wickner und seine Kollegen von der Dartmouth Medical School in Hanover, New Hampshire, um die Verschmelzung von Vakuolen im Detail zu studieren. Dazu markierten sie einige der Membranproteine, die die Fusion steuern, mit Fluoreszenzfarbstoffen. So konnten sie den Vorgang filmen und eine überraschende Entdeckung machen: „Wir sehen, dass die Hefe-Vakuolen durch einen völlig anderen Mechanismus verschmelzen als bisher angenommen wurde“, sagt Wickner.

Membranfusion

Membranproteine steuern das Verschmelzen zweier Vesikel. Die Grenzmembran bleibt erhalten und schwingt wie eine Türe zur Seite.

Bisher dachte man, dass sich die Membran zwischen den beiden Vakuolen wie eine Lochblende öffnen und langsam erweitern würde, so dass der Inhalt der Bläschen ineinander fließen kann. „Es zeigte sich hingegen, dass sich eine Membranscheibe zwischen den Vakuolen bildet, die wie eine Tür funktioniert“, sagt Wickner. „Sie öffnet sich plötzlich, indem sie zur Seite schwingt und die beiden Bläschen vereint.“ Nach der Fusion bleibt die Tür intakt, springt aber aus den Angeln und bewegt sich frei in der Vakuole, wie in den Videos zu sehen ist.

Die Ergebnisse, die Wickner soeben in der Fachzeitschrift Cell veröffentlichte, könnten durchaus praktische Bedeutung haben. Die Fusion von Vesikeln und Vakuolen spielt bei so verschiedenen Vorgängen wie der Nervenübertragung oder der Hormonausschüttung eine Rolle. „Die beteiligten Proteine unterscheiden sich kaum zwischen Hefe und Mensch“, so Wickner. „Je genauer wir den Prozess der Membranfusion verstehen, desto mehr Möglichkeiten haben wir, ihn gezielt zu beeinflussen.“

Sesam öffne dich

Die Filme zeigen die Verschmelzung von Vakuolen in sechsfachem Zeitraffer. Rechts ist die ganze Hefezelle im lichtmikroskopischen Bild zu sehen, links davon die Vakuolen, bei denen jeweils ein anderes Protein sichtbar gemacht wurde (Quelle: Wang et al./Cell).

In Film 1 verschmelzen zwei Vakuolen – die Membranscheibe dazwischen ist deutlich erkennbar.

Film 2 zeigt mehrere Bläschen, die zu einer großen Vakuole zusammenfließen. Auch hier bleiben die Reste der Membranscheibe gut sichtbar.

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