Das Zytoskelett. Mikrotubuli-bindende Proteine. Mikrotubuli-assoziierter Transport. Kinocilien

Transkript

1 Das Zytoskelett Mikrotubuli-bindende Proteine Mikrotubuli-assoziierter Transport Kinocilien

2 Mikrotubuli-bindende Proteine

3 Mikrotubuli-bindende Proteine

4 Entwicklung der Asymmetrie von Mikrotubuli in Epithelzellen nicht-centrosomale Microtubuli Ninein, nicht-centrosomales γ-tubulin

5 Mikrotubuli-assoziierter Transport

6 Mikrotubuli-assoziierter Transport Transport im neuronalen Axon In den meisten Zellen tragen MTs ihr Plus- Ende in der Peripherie und ihr Minus-Ende am MTOC Kinesine transportieren Organellen Richtung Plasmamembran Dynein-abhängige Transportprozesse sind zum Zellkern hin gerichtet Neurotransmitter werden im ER synthetisiert und nach Verlassen des Golgi-Apparates auf Transportvesikel verteilt Kinesine transportieren diese Vesikel zu den Synapsen (meterlange Strecken z.b. bei Giraffen) Dyneine leiten Material zum Zellkörper weiter

7 Mikrotubuli-assoziierter Transport Zwei Familien von Motorproteinen, Kinesin und Dynein, transportieren Vesikel, Organellen und Proteine an Mikrotubuli entlang Kinesine bewegen sich zum Plus(+)-Ende Dyneine bewegen sich zum Minus(-)-Ende Dabei wandern die Kopf-Regionen am Mikrotubulus entlang Die Schwanz-Regionen binden das Transportgut

8 Mikrotubuli-assoziierter Transport Organellen mit Kinesin und Dynein

9 Mikrotubuli-assoziierter Transport Kinesin-Familie S. cerevisiae 6 Kinesin-Gene C.elegans 16 Kinesin-Gene H. sapiens > 40 Kinesin-Gene Kinesine mit C-terminaler Motor- Domäne (KIFC2, Ncd, KAR3) wandern zum Minus-Ende Ausnahme: Unc-104 (KIF1A) trägt am C-Terminus eine Motor-Domäne und transportiert Vesikel zum MT-Plus-Ende Mitglieder der Unc-104 Familie haben eine monomere Struktur KIF1B (Unc-104 Familie) transportiert Mitochondrien

10 Mikrotubuli-assoziierter Transport Kinesin

11 Mikrotubuli-assoziierter Transport

12 Mikrotubuli-assoziierter Transport Kinesin-Familie S. cerevisiae 6 Kinesin-Gene C.elegans 16 Kinesin-Gene H. sapiens > 40 Kinesin-Gene Kinesin, Unc-104 (KIF1A) und Kinesin II tragen am C-Terminus eine Motor- Domäne und transportieren Vesikel zum MT-Plus-Ende Mitglieder der Unc-104 Familie haben eine monomere Struktur KIF1B (Unc-104 Familie) transportiert Mitochondrien Kinesine mit C-terminaler Motor- Domäne (KIFC2, Ncd, KAR3) wandern zum Minus-Ende

13 Mikrotubuli-assoziierter Transport

14 Mikrotubuli-assoziierter Transport Dynein 530 kda, je 4 ATP-Bindestellen Multisubunit-Protein Dynein leichte Ketten assoziieren mit Dynamitin vom Dynactin Heterokomplex Zum Dynactin Heterokomplex gehört das Actin-related protein (Arp1) Arp1 bildet ein Minifilament, das unterhalb der Membran mit Spectrin assoziiert ist P150 Glued bindet Mikrotubuli und Vesikel Spectrin bindet Ankyrin, welches an Golgi-Membranglykoproteine bindet

15 Mikrotubuli-assoziierter Transport Golgi-Membranglykoproteine binden an Ankyrin, Spektrin und assoziieren mit Arp1 um ein planares Cytoskelett-Feld zu bilden Spectrin stabilisiert die Golgi- Membran und reguliert die Dynein-Bindung an den Golgi

16 Kinocilien

17 Kinocilien Cilien & Flagellen werden zur Fortbewegung in flüssigem Medium eingesetzt Cilien können auch Flüssigkeiten über die Oberfläche stationärer Zellen transportieren, z.b. Schleim im Respiratorischen Trakt Cilien und Flagellen haben einen ähnliche Cytoskelett-Aufbau

18 Kinocilien dicht beieinander stehende bewegliche fingerförmige Ausstülpungen der Zellmembran, die an einem Basalkörperchen verankert sind Durchmesser von Kinocilien / Basalkörperchen ca. 300 nm, 7-10 µm lange Cilien (Basalkörperchen, 0,5 µm) zwei zentrale von einer Zentralscheide umgebene Mikrotubuli 9 äußere Mikrotubuluspaare, die wiederum untereinander via Nexin Brücken verbunden sind (9x2+2 Struktur)

19 Kinocilien dicht beieinander stehende bewegliche fingerförmige Ausstülpungen der Zellmembran, die an einem Basalkörperchen verankert sind Durchmesser von Kinocilien / Basalkörperchen ca. 300 nm, 7-10 µm lange Cilien (Basalkörperchen, 0,5 µm) zwei zentrale von einer Zentralscheide umgebene Mikrotubuli 9 äußere Mikrotubuluspaare, die wiederum untereinander via Nexin Brücken verbunden sind (9x2+2 Struktur)

20 Kinocilien dicht beieinander stehende bewegliche fingerförmige Ausstülpungen der Zellmembran, die an einem Basalkörperchen verankert sind Durchmesser von Kinocilien / Basalkörperchen ca. 300 nm, 7-10 µm lange Cilien (Basalkörperchen, 0,5 µm) zwei zentrale von einer Zentralscheide umgebene Mikrotubuli 9 äußere Mikrotubuluspaare, die wiederum untereinander via Nexin Brücken verbunden sind (9x2+2 Struktur)

21 Protozoa Tetrahymena MTOC Dyneinmotor MT s ~ 400 fluorescenzgefärbte Cilien

22 Protozoa Tetrahymena

23

24 ATP bindet an den Dynein Motor und induziert eine Konformationsänderung P P P P ATP

25 ATP-Bindung führt zur Abkopplung des Dynein- Kopfes vom MT Die Affinität für MT-Binderegion ändert sich P P P P

26 The release triggers the hydrolysis of ATP and phosphorylation of the dynein motor with consequent conformation change high energy Konformation P ADP ist gebunden! P Der Dynein-Kopf kann wieder an MT binden - letzter Teil der Konformationsänderung

27 The phosphorylated dynein head binds to the closest binding site on the MT P P

28 Phosphatase-Aktivität spaltet ATP P P

29 und überführt Dynein in seine ursprüngliche low energy -Konformation ADP-Freisetzung P bei der ADP-Abspaltung wird der Tubulus mitgezogen

30 Ist ATP verfügbar, kann es an den Dynein-Kopf binden und einen neuen Cyclus einleiten P P P

31 Dynein Power Stroke ADP + Vanadat ist analog zu ADP+P i (Pre-Power Stroke) ohne Nukleotid, Apo-Dynein (Post-Power Stroke) Nature 421, (13 February 2003)

32 Kinocilien

33 Kinocilien Dynein katalysiert die Cilien-Bewegung unter ATP-Verbrauch

34 Mikrotubuli-assoziierter Transport Samenzelle (Seeigel) Axonem (Chlamydomonas)

35 During interphase, centrioles move to the plasma membrane, and template nucleation of the axoneme Henneguy-Lenhossek (1898): Basal bodies: analogous to the mitotic centrioles Position of the mature centriole?: - Par3 / Par6 / apkc - Crb3 / Pals1 / PatJ Interaction with IFT motor KIF3 Dawe et al., Journal of Cell Science 2006

36 Cilien-Entwicklung Ciliogenese Cargo-Loading Model im IFT Cell Jun 11;117(6):693-7

37 IFT : to move structural components from the cell body to the cilium tip = bidirectional transport system discovered in Chlamydomonas Rosenbaum and Witman, 2002,

38 Rosenbaum and Witman, 2002,

39 Mikrotubuli-assoziierter Transport

40 Kartagener Syndrome Primäre Cilliäre Dyskinesie (PCD, Erbkrankheit) wurde im frühen 20. Jhdt. von Siewert und Kartagener beschrieben Symptome: chron. Sinusitis, Bronchiectasien, situs inversus, Unfruchtbarkeit PCD kommt in 1: Fällen vor Gendefekt auf Chomosom 7 lokalisiert (axonemales Dynein)

41 Kartagener Syndrome Primäre Cilliäre Dyskinesie (PCD, Erbkrankheit) wurde im frühen 20. Jhdt. von Siewert und Kartagener beschrieben Symptome: chron. Sinusitis, Bronchiectasien, situs inversus, Unfruchtbarkeit PCD kommt in 1: Fällen vor Gendefekt auf Chomosom 7 lokalisiert (axonemales Dynein)

42 axonemal heavy chain dynein type 11 Proc Natl Acad Sci U S A August 6; 99 (16):