Proteintröpfchen verursachen wahrscheinlich keine Parkinson-Krankheit

Essig in Öl geben und schütteln: Es bilden sich Öltröpfchen. Das Konzept der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung ist im Alltag schon seit Generationen bekannt, aber in der Zelle hat es sich zu einem der heißesten Themen der Biologie entwickelt.

Vor fünfzehn Jahren entdeckte man, dass Eiweißmoleküle zu Tröpfchen kondensieren können, die ohne eine äußere Membran vom Zytoplasma der Zelle isoliert sind. In Embryonen von Fadenwürmern bildeten Proteine und RNA winzige Tröpfchen, die das genetische Material während der frühen Wachstumsstadien verwalten helfen.

Diese Entdeckung führte zu einer neuen Denkweise über die Zelle. Eine durch die Evolution optimierte Flüssig-Flüssig-Phasentrennung könnte sehr funktionell sein. Solche Tröpfchen könnten es den Zellen ermöglichen, Moleküle zu kompartimentieren und biochemische Reaktionen zu regulieren. Forscher haben sie nun überall gefunden: im Zellkern, wo sie helfen, die DNA zu organisieren, wo sie Stressgranula bilden, um die mRNA zu schützen und zu regulieren, und an den Enden der Mikrotubuli, wo sie als intelligenter molekularer Klebstoff fungieren, um den Zellkern für die Zellteilung zu positionieren.

Neben ihrer funktionellen Bedeutung wurden Tröpfchen auch mit Krankheiten in Verbindung gebracht. Bei neurodegenerativen Erkrankungen, die durch die Bildung von Proteinaggregaten gekennzeichnet sind, wie z. B. Alzheimer und Parkinson, wird angenommen, dass Proteintröpfchen ein Vorläufer der pathologischen Proteinaggregation sind.

Der Gedanke hinter dieser Theorie ist, dass Tröpfchen bestimmte Proteine konzentrieren können, was sie zur Aggregation bringen könnte. Dafür sprechen zahlreiche Beobachtungen, dass bestimmte Bedingungen wie die Salzkonzentration oder der pH-Wert gleichzeitig die Proteinaggregation und -kondensation fördern. Doch ob - oder wie - die beiden zusammenhängen, ist noch nicht bewiesen.

In der bisher umfassendsten Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Aggregation und Flüssig-Flüssig-Phasentrennung hat ein Forschungsteam unter Leitung des Paul Scherrer Instituts PSI nun herausgefunden, dass die Tröpfchenbildung die Aggregation nicht verursacht, sondern im Gegenteil davor schützen kann.

Fünfhundert Bedingungen

Die Forscher untersuchten das Protein Alpha-Synuclein (ɑSyn), das sich zu den Amyloidfibrillen verklumpt, die bei Parkinson-Patienten schließlich zum Zelltod führen.

Um den wahren Zusammenhang zwischen Aggregation und Tröpfchenbildung herauszufinden, untersuchten die Forscher methodisch das Verhalten von ɑSyn-Proteinen unter einer Vielzahl von Bedingungen: Proteinkonzentration, Salzkonzentration und die Anwesenheit verschiedener Konzentrationen von Verdrängungsmitteln, die die komplexe molekulare Umgebung des Zytoplasmas nachahmen. Jede dieser Bedingungen wurde bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht.

Insgesamt untersuchten die Forscher mehr als fünfhundert verschiedene Bedingungen. Für jede Bedingung verfolgten sie das Fortschreiten der Tröpfchenbildung oder -aggregation bis zu vier Monate lang, wobei sie regelmäßig lichtmikroskopische Aufnahmen machten.

Um so viele Bedingungen zu untersuchen, nutzten die Forscher die robotische Kristallisationsanlage an der Lichtquelle Schweiz SLS. Diese Technik wird in der Regel verwendet, um Proteinkristalle für Röntgenkristallographie-Experimente vorzubereiten.

"Der Aufenthalt an der Grossanlage und die Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern an der Beamline ermöglichten es uns, dieses Problem aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten", erklärt PSI-Postdoktorandin Rebecca Sternke-Hoffmann, Erstautorin der Studie. "Interessanterweise wussten Kristallographen schon seit langem, dass Proteine Tröpfchen bilden können. Das war nur eine weitere Beobachtung auf der Suche nach dem perfekten Kristall", fügt PSI-Wissenschaftler Jinghui Luo hinzu, der die Studie leitete.

Um diese makroskopische Geschichte zu vervollständigen, nutzten die Forschenden Kleinwinkel-Röntgenstreuungsmessungen (SAXS) an der Swiss Light Source SLS und führten Simulationen durch, um das mikroskopische Bild zu verstehen.

Essig in Öl und Essig in Milch sind unterschiedliche Prozesse.

Die akribischen Experimente zeigten, dass die Bedingungen, unter denen stabile Tröpfchen oder Proteinaggregate entstehen, nicht dieselben sind. Entgegen der herkömmlichen Theorie, wonach Aggregate aus Tröpfchen entstehen, zeigten die Forscher, dass sich Tröpfchen und Aggregate in αSyn unter verschiedenen Protein-, Salz- und Crowding-Bedingungen unabhängig voneinander bilden.

Durch ihren langen Untersuchungszeitraum konnten die Forscher feststellen, ob sich tatsächlich Tröpfchen zu Aggregaten entwickeln. Die Antwort: Sie taten es nicht, auch nicht nach einhundertzwanzig Tagen. Tatsächlich schienen die Tröpfchen die Aggregation zu Fibrillen nicht zu fördern, sondern eher das Gegenteil zu bewirken. Während längerer Inkubationszeiten verwandelten sich die zuvor als irreversibel geltenden Fibrillen in Tröpfchen.

"Diese Beobachtung deutet auf eine funktionelle Rolle von Flüssigkeitströpfchen bei der Verhinderung der Bildung fester Aggregate unter bestimmten Bedingungen hin", sagt Luo. Nach dem derzeitigen Verständnis der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung in der Zelle handelt es sich dabei um ein hochentwickeltes Merkmal, das mit Funktionalität verbunden ist, während die Aggregation, insbesondere im Fall von αSyn, mit Krankheiten in Verbindung gebracht wird. "Aus dieser Perspektive wäre es etwas überraschend, wenn Proteintröpfchen Vorläufer der Proteinaggregation wären", meint er.

Durch SAXS-Messungen in Verbindung mit Simulationen und Sequenzanalysen konnten die Forscher die von ihnen beobachteten Unterschiede verstehen: Die Aggregation erfolgt hauptsächlich aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Schwänzen einzelner Proteinmoleküle, während die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung aufgrund von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteinmolekülen erfolgt.

Um die Entdeckung mit der Analogie von Öl und Wasser in Verbindung zu bringen: Gibt man Essig zu Öl, bildet das Öl Tröpfchen. Gibt man Essig zu Milch, bilden sich harte Aggregate des Proteins. Obwohl in beiden Fällen der Essig der Übeltäter ist, laufen bei der Aggregation und der Tröpfchenbildung ganz unterschiedliche Prozesse ab.

Neues molekulares Verständnis von neurodegenerativen Erkrankungen

Das tiefere Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Proteinaggregation und Flüssig-Flüssig-Phasentrennung ist nicht nur für Parkinson relevant, sondern auch für andere neurodegenerative Krankheiten, die durch Proteinaggregation gekennzeichnet sind, darunter Alzheimer, Huntingdon und die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Dies wiederum könnte zu neuen Behandlungsmöglichkeiten führen.