Der Syntaxin 1-Cluster - Organisation und Dynamik einer supramolekularen Struktur der Plasmamembran

Abstract

Die Plasmamembran einer eukaryotischen Zelle zeigt weit mehr laterale Heterogenität als man aufgrund des 1972 von Singer und Nicolson vorgeschlagenen Fluid-Mosaic-Modells erwarten würde. Viele Proteine sind nicht uniform verteilt, sondern in sogenannten Membran-Domänen angereichert. Die Frage, wie die Heterogenität der Plasmamembran zustande kommt und über die Zeit erhalten bleibt, ist nicht abschließend geklärt und die diesbezüglich aufgestellten Hypothesen und Theorien sind zum Teil widersprüchlich. Ein Beispiel eines Typ-IV Membranproteins, das keine uniforme Verteilung zeigt, ist das SNARE-Protein Syntaxin 1, von dem bekannt ist, dass es in sogenannten Clustern aufkonzentriert vorkommt, an denen sekretorische Vesikel bevorzugt docken und mit der Plasmamembran verschmelzen. Mittels STED-Mikroskopie wurde in Zusammenarbeit mit der Abteilung NanoBiophotonik (Leiter Prof. Dr. Stefan Hell) des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie (Göttingen) die Größe und Dichte des Syntaxin 1-Clusters bestimmt und gezeigt, dass sich auf einem Quadratmikrometer PC12-Plasmamembran durchschnittlich etwa 20 dieser im Mittel 50 60 nm großen Strukturen befinden. Darüber hinaus wurde ein Verhältnis von Syntaxin-Molekülen zu Clustern von ca. 90:1 ermittelt. Auch wurde der Mechanismus untersucht, über den sich diese Strukturen bilden. Der Clustering-Prozess scheint höchst spezifisch abzulaufen und zwischen nahe verwandten Syntaxinen zu unterscheiden. So wurden Syntaxin 1 und Syntaxin 4 in der PC12-Zellmembran in getrennten Clustern organisiert gefunden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Fähigkeit, sich in Syntaxin 1-Clustern zu organisieren, eine intrinsische Eigenschaft des Proteins selbst ist, und dass höchstwahrscheinlich keine weiteren Ko-Faktoren, außer vielleicht Lipide, für diesen Prozess benötigt werden. Im Detail scheint der Vorgang durch eine über die SNARE-Motive vermittelte Homo-Oligomerisierung abzulaufen, die auch für die beobachtete eingeschränkte Mobilität des Proteins in der Plasmamembran verantwortlich ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass Syntaxin 1-Cluster über einen Zeitraum von 5 Minuten scheinbar immobil sind. Die in FRAP-Experimenten im selben Zeitrahmen beobachtete eingeschränkte Mobilität ist demnach das Ergebnis eines Austauschs von einzelnen Molekülen oder niedrigen Oligomeren zwischen den Clustern. Eine auf diesen Daten basierende in der Abteilung Theoretische und computergestützte Biophysik (Leiter: Dr. Helmut Grubmüller; MPI für biophysikalische Chemie, Göttingen) durchgeführte Computer-Simulation der FRAP-Experimente ergab, dass sich im thermodynamischen Gleichgewicht im Mittel 5/6 der Syntaxin 1-Moleküle innerhalb der stationären Cluster befinden und 1/6 außerhalb frei beweglich ist. Es ergibt sich demnach folgendes Gesamtbild der Organisation und Dynamik des Syntaxin 1-Clusters: Im Mittel liegen je etwa 75 Syntaxin 1-Moleküle in einem stationären Cluster temporär immobilisiert vor (Diffusional-Trapping). Diese Moleküle stehen in einem dynamischen Austausch mit freien (nicht Cluster-assoziierten) Molekülen, die vermittelt über homophile Interaktionen der SNARE-Motive vom Cluster eingefangen werden können. Im Gegenzug ist es auch möglich, dass sich Moleküle aus dem Cluster lösen. Syntaxin 1-Clustering stellt in diesem Szenario ein dynamisches selbstorganisierendes System dar. Abschließend wird ein auf den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen basierendes, spekulatives Modell des Syntaxin 1-Clusters vorgestellt und diskutiert.