Deine Zelle ist eine MEGA-Fabrik – aber keine Maschine

 

Intro: Warum die Maschinen-Analogie falsch ist

Deine Zelle ist eine MEGA-Fabrik. Das endoplasmatische Retikulum bildet ihr Produktions- und Verteilungsnetzwerk. Der Golgi-Apparat sortiert, modifiziert und verschickt Moleküle an ihren Bestimmungsort. Das Cytoskelett durchzieht die Zelle als dynamische Infrastruktur, auf der Motorproteine ihre Fracht transportieren. Millionen Maschinen, die Proteine verarbeiten, Straßen die sich in Sekunden neu bauen, ein Postzentrum, das nie schläft.

Aber diese Analogie ist falsch. Maschinen werden geplant und gebaut. Zellen dagegen sind das Ergebnis von Milliarden Jahren Evolution. Ihre Strukturen entstanden nicht nach einem Bauplan. Die meisten Proteine erfüllen mehrere Funktionen gleichzeitig, bilden ständig neue Wechselwirkungen und organisieren sich selbst zu größeren Strukturen. Ordnung entsteht hier nicht durch einen Konstrukteur, sondern aus dem Zusammenspiel unzähliger Moleküle.

Aber wie ist dieses komplexe Netzwerk entstanden? 2015 entdeckten Forscher einen Organismus, der alles veränderte, was wir über den Ursprung dieser Strukturen zu wissen glaubten. Das Zytoskelett — lange als exklusive Erfindung der Eukaryoten geltend — hatten Bakterien schon lange vorher. Die Frage ist: Wie kam es in deine Zelle?“

Bevor wir jetzt in die Details einsteigen — eine ehrliche Vorwarnung. Das hier wird kein gemütlicher Spaziergang durchs Lehrbuch. Wir reden über Cytoskelett, Motorproteine, ER, Golgi, Vesikel, SNAREs, COPII, COPI, Clathrin. Das klingt wie das Inhaltsverzeichnis eines Biochemie-Prüfungskatalogs.

Und meine Kurzfassungen sind traditionell etwas länger.

Aber wenn ihr durchhaltet, verspreche ich euch: Am Ende werdet ihr verstehen, wie aus einem simplen Bakterienfresser die komplexeste Fabrik entstand, die die Evolution je gebaut hat.

Also. Kommen wir zum ersten Kandidaten.

Cytoskelett – das Verkehrssystem der Zelle[1]

 

Das Cytoskelett ist ein dynamisches Netzwerk aus Proteinfilamenten im Cytoplasma eukaryotischer Zellen. Es verleiht der Zelle mechanische Stabilität, bestimmt ihre Form und ermöglicht Transportprozesse innerhalb der Zelle. Dabei handelt es sich keineswegs um ein starres Gerüst: Seine Bestandteile werden kontinuierlich auf- und abgebaut. Das Cytoskelett besteht aus drei Hauptkomponenten – Mikrotubuli, Aktinfilamenten und Intermediärfilamenten.

Mikrotubuli sind mit einem Durchmesser von etwa 15 bis 25 Nanometern die größten Elemente des Cytoskeletts. Sie bestehen aus dem Protein Tubulin und übernehmen zentrale Aufgaben bei der Zellteilung, insbesondere beim Aufbau des Spindelapparates, der die Chromosomen während der Mitose korrekt verteilt. Darüber hinaus dienen Mikrotubuli als Transportschienen für den intrazellulären Stofftransport. Die kleinsten Bestandteile des Cytoskeletts sind die Aktinfilamente oder Mikrofilamente mit einem Durchmesser von etwa 6 Nanometern. Sie stabilisieren die Zellform und spielen eine wichtige Rolle bei Bewegungsprozessen. In Muskelzellen sind große Mengen von Aktinfilamenten an der Muskelkontraktion beteiligt. Intermediärfilamente wiederum tragen besonders zur mechanischen Belastbarkeit der Zelle bei. Gleichzeitig stehen sie in enger Wechselwirkung mit Mikrotubuli und Aktinfilamenten und koordinieren gemeinsam die Organisation der Zelle.

Lange galt das Cytoskelett als ein ausschließliches Merkmal der Eukaryoten. Doch inzwischen wurden homologe Strukturen auch in Bakterien und Archaeen entdeckt. Das überrascht kaum, wenn man bedenkt, dass Eukaryoten evolutionär aus einer Symbiose früher prokaryotischer Zellen hervorgegangen sind. Vorstufen cytoskelettaler Proteine sollten daher bereits in diesen Organismen existiert haben – und genau das wurde inzwischen nachgewiesen. Besonders interessant sind die Asgard-Archaeen, die wir bereits im Zusammenhang mit der Endosymbiontentheorie kennengelernt haben. Sie besitzen aktinähnliche Proteine und waren vermutlich bereits zu primitiver Phagocytose fähig – also zur Aufnahme anderer Zellen. Genau diese Fähigkeit gilt als entscheidende Voraussetzung für die spätere Entstehung der Mitochondrien durch Endosymbiose.

Doch nicht nur Aktin besitzt prokaryotische Vorläufer. Ein tubulinähnliches Protein ist FtsZ, das bei Bakterien und Archaeen während der Zellteilung einen kontraktilen Ring bildet. In Archaeen wurde zudem das Protein CetZ entdeckt, das an der Steuerung der Zellform beteiligt ist und funktionelle Ähnlichkeiten zu Tubulin aufweist. Zu den aktinähnlichen Proteinen gehören auch MreB, FtsA, MamK und Crenactin. Besonders Crenactin ähnelt dem eukaryotischen Aktin stark: Beide bilden doppelsträngige, helikal angeordnete Filamente mit nahezu identischer Organisation der Untereinheiten. Selbst Profiline – regulatorische Proteine des Aktin-Cytoskeletts – kommen bereits in Archaeen vor.

Die Herkunft der Intermediärfilamente ist dagegen weniger klar. Sie fehlen etwa bei Pflanzen und einigen einzelligen Eukaryoten, weshalb ungewiss ist, ob sie bereits beim gemeinsamen Vorfahren aller Eukaryoten vorhanden waren oder erst später, möglicherweise bei den Tieren, entstanden. Teilweise werden Ähnlichkeiten zum prokaryotischen Protein CreS diskutiert, doch die Datenlage ist unsicher. Sollte tatsächlich eine Verwandtschaft bestehen, könnte horizontaler Gentransfer eine Rolle gespielt haben. Sogar der ESCRT-Komplex, der bei Eukaryoten für die Abschnürung von Membranen während der Zellteilung entscheidend ist, wurde inzwischen auch in Archaeen nachgewiesen. Damit reichen die evolutionären Wurzeln zentraler Bestandteile der eukaryotischen Zellorganisation vermutlich deutlich tiefer zurück, als lange angenommen wurde.

Merkt ihr, worauf das hinausläuft? Das Cytoskelett — dieses angeblich „exklusiv eukaryotische“ Merkmal — war nie eine Neuerfindung. Es war eine Verfeinerung von Werkzeugen, die seit Milliarden Jahren existierten.

Motorproteine: die Lieferanten der Zelle[2]

Kommen wir zum nächsten Kandidaten: Motorproteine. Wenn das Cytoskelett das Straßennetz ist, dann sind Motorproteine die Lieferwagen. Sie transportieren Organellen, Vesikel und andere Zellbestandteile entlang der Filamente. Und hier wird’s elegant.

Myosine bewegen sich entlang der Aktinfilamente, während Kinesine und verwandte Motorproteine Mikrotubuli nutzen. Bereits kleine Veränderungen einzelner Proteindomänen ermöglichten dabei hochspezialisierte Funktionen – etwa die Rolle bestimmter Myosine bei der Muskelkontraktion.

Der evolutionäre Ursprung der Motorproteine ist weniger klar als der des Cytoskeletts – doch völlig rätselhaft ist er keineswegs. Proteine wie Myosin und Kinesin sind miteinander verwandt und gehören zur großen Familie der sogenannten P-Loop-NTPasen, also Proteinen, die chemische Energie aus ATP oder ähnlichen Molekülen nutzen. Zwar lässt sich das ursprüngliche Motorprotein evolutionär nicht direkt rekonstruieren, doch zahlreiche verwandte Proteine innerhalb dieser Familie erzeugen ebenfalls mechanische Kräfte. Dazu gehören unter anderem Helikasen oder Bestandteile des Proteasoms. Sie könnten evolutionäre Vorläufer moderner Motorproteine darstellen. Besonders bedeutsam war die Entstehung des Myosins der Klasse II. Dieses entwickelte sich vermutlich aus ursprünglich „unkonventionellen“ Myosinen, die vor allem Transportfunktionen erfüllten. Im Unterschied dazu kann Myosin II bipolare Filamente bilden und mit Aktinfilamenten interagieren. Dadurch entstand eine völlig neue Form zellulärer Bewegung: die Kontraktion. Diese Kontraktionsfähigkeit bildet die Grundlage der Muskelbewegung bei Tieren. Doch sie ist evolutionär deutlich älter und kommt auch bei einzelligen Organismen wie Amöben vor, deren Fortbewegung ebenfalls auf der Wechselwirkung von Aktin und Myosin II unter der Zellmembran beruht. Darüber hinaus ermöglichte die Kontraktion eine effizientere Zellteilung. Durch die Bildung kontraktiler Ringe konnten Zellen sich kontrollierter abschnüren – ein wichtiger Schritt für die Entwicklung größerer und schließlich vielzelliger Organismen. Auch andere Motorproteine übernahmen spezialisierte Funktionen. So steuern Dyneine gemeinsam mit Mikrotubuli die Bewegung eukaryotischer Geißeln und ermöglichen dadurch aktive Fortbewegung im Wasser. Insgesamt zeigt sich, dass Motorproteine nicht plötzlich entstanden, sondern aus älteren, bereits kraftgenerierenden Proteinfamilien hervorgingen.

Rolle des Cytoskeletts bei der Mitose[3]

Während der Mitose – der Zellteilung der Eukaryoten – müssen die Chromosomen präzise auf die Tochterzellen verteilt werden. Dafür sorgt der sogenannte Spindelapparat, ein hochdynamisches System aus Mikrotubuli.

Der Spindelapparat besteht aus drei Haupttypen von Mikrotubuli: polaren, astralen und Kinetochor-Mikrotubuli. Die polaren Mikrotubuli erstrecken sich zwischen den beiden Zellpolen und überlappen sich in der Zellmitte. Sie stabilisieren den Spindelapparat und erzeugen Kräfte, die die Pole auseinanderdrücken.

Astrale Mikrotubuli sind sternförmig um die Zellpole angeordnet und verbinden den Spindelapparat mit dem Cytoskelett. Dadurch wird die räumliche Ausrichtung der Zellteilung kontrolliert.

Die entscheidende Rolle bei der Chromosomentrennung spielen jedoch die Kinetochor-Mikrotubuli. Sie binden an spezielle Proteinstrukturen der Chromosomen, die sogenannten Kinetochoren, welche am Centromer sitzen. Nach der Anheftung ziehen diese Mikrotubuli die Schwesterchromatiden auseinander und verteilen sie auf die beiden Tochterzellen.

Auch für diesen komplexen Mechanismus existieren evolutionäre Vorläufer bei Prokaryoten. Ein Beispiel ist das sogenannte ParMRC-System, das einige Bakterien zur Verteilung ihrer Plasmide nutzen. Plasmide sind kleine, zusätzliche DNA-Moleküle, die bei der Zellteilung ebenfalls korrekt auf die Tochterzellen verteilt werden müssen.

Das ParMRC-System besteht aus drei Komponenten: einer DNA-Bindungsstelle, die funktionell einem Centromer ähnelt, einem Adapterprotein sowie dem Protein ParM, das die eigentliche Bewegung erzeugt. ParM bildet filamentartige Strukturen und übernimmt damit eine Rolle, die funktionell an den Spindelapparat eukaryotischer Zellen erinnert.

Auch der Kinetochor selbst scheint evolutionär aus unterschiedlichen Bausteinen zusammengesetzt worden zu sein. Einige seiner Proteine besitzen homologe Gegenstücke in Prokaryoten, während andere offenbar durch Genduplikation und funktionelle Umwandlung bereits vorhandener eukaryotischer Proteine entstanden sind.

Endoplasmatisches Reticulum[4]

Ein zentrales Merkmal der Eukaryoten ist der Zellkern. Anders als Mitochondrien entstand er vermutlich nicht durch Endosymbiose, sondern als Schutzmechanismus für das Genom – darauf sind wir bereits in einer anderen Episode eingegangen. Wahrscheinlich begann seine Entstehung damit, dass sich Bereiche der Zellmembran nach innen einstülpten und die DNA zunehmend umschlossen. Daraus entwickelte sich schließlich die Kernhülle.

Mit dem Zellkern verbunden ist ein komplexes inneres Membransystem: das endoplasmatische Retikulum, kurz ER. Es tritt in zwei Formen auf – als raues und als glattes ER. Das raue ER ist mit Ribosomen besetzt und spielt eine zentrale Rolle bei der Proteinsynthese, während das glatte ER vor allem Lipide produziert und als wichtiger Calcium-Speicher dient.

Innere Membransysteme wie das ER bieten einen entscheidenden evolutionären Vorteil: Sie vergrößern die innere Oberfläche der Zelle. Da viele Stoffwechselprozesse an Membranen stattfinden, ermöglicht diese Oberflächenvergrößerung deutlich komplexere und leistungsfähigere Stoffwechselvorgänge.

Die Proteinsynthese beginnt im Zellkern mit der Transkription, bei der ein DNA-Abschnitt in mRNA umgeschrieben wird. Anschließend wird diese mRNA im Cytoplasma von Ribosomen in eine Aminosäurekette übersetzt. Sobald am entstehenden Protein eine bestimmte Signalsequenz erscheint, bindet das Ribosom an das raue ER. Das Protein wird nun bereits während seiner Synthese in das Innere des ER – das sogenannte Lumen – eingeschleust.

Dort erhält das Protein seine dreidimensionale Struktur und wird häufig chemisch modifiziert, etwa durch die Anheftung von Zuckergruppen, die sogenannte Glykosylierung. Anschließend wird das fertige Protein in kleine Membranbläschen, sogenannte Vesikel, verpackt und zum Zielort transportiert.

Das glatte ER übernimmt dagegen vor allem die Synthese von Lipiden, etwa für Zellmembranen oder Steroidhormone. Auch diese Stoffe werden über Vesikel transportiert oder direkt in Membranen eingebaut.

Der Vesikeltransport innerhalb der Zelle ist ein hochpräziser logistischer Prozess. An speziellen Exportstellen des ER sammeln sich Proteine, während sich auf der Außenseite der Membran sogenannte COPII-Mantelproteine anlagern. Diese krümmen die Membran und ermöglichen die Abschnürung kleiner Transportvesikel. Nach ihrer Ablösung verlieren die Vesikel häufig ihre Proteinhülle und werden anschließend von Motorproteinen wie Kinesin oder Dynein entlang des Cytoskeletts transportiert. Einer der wichtigsten Zielorte dieser Transportvesikel ist der Golgi-Apparat, der die Proteine weiter modifiziert, sortiert und an ihren endgültigen Bestimmungsort weiterleitet.

Golgi-Apparat[5]

Der Golgi-Apparat besteht aus mehreren gestapelten Membransäckchen, den sogenannten Zisternen oder Dictyosomen. Die Gesamtheit dieser Stapel bildet den Golgi-Apparat. Zwischen den einzelnen Bereichen findet ein ständiger Stoffaustausch statt, wodurch ein hochkoordiniertes innerzelluläres Transportsystem entsteht. Seine Hauptaufgaben bestehen in der Modifikation, Sortierung, Verpackung und Weiterleitung von Proteinen und Lipiden, die zuvor im endoplasmatischen Retikulum hergestellt wurden. Man kann ihn sich daher als eine Art Verteilungszentrum der Zelle vorstellen.

Die vom ER kommenden Vesikel werden entlang des Cytoskeletts durch Motorproteine zum Golgi-Apparat transportiert. Auf ihrer Oberfläche tragen sie sogenannte Rab-Proteine, die als molekulare Identitätsmarker dienen. Sobald ein Vesikel seine Zielmembran erreicht, greifen spezielle Membranproteine ineinander: Die v-SNAREs auf dem Vesikel verbinden sich mit passenden t-SNAREs auf der Zielmembran des Golgi-Apparats. Durch diese Wechselwirkung werden beide Membranen so dicht aneinandergezogen, dass sie miteinander verschmelzen. Der Inhalt des Vesikels gelangt dadurch in das Lumen des Golgi-Apparats, wo die weitere Verarbeitung beginnt.

Dieser Transport funktioniert auch in umgekehrter Richtung. Bestimmte Stoffe werden vom Golgi-Apparat zurück zum ER transportiert – vermittelt durch sogenannte COPI-Vesikel. Während Proteine den Golgi-Apparat durchlaufen, werden sie schrittweise chemisch verändert. Beispielsweise werden zuvor angeheftete Zuckerketten umgebaut oder entfernt. Zusätzlich erhalten viele Proteine spezifische molekulare Markierungen, etwa Phosphatgruppen, die später als „Adressetiketten“ dienen. Am Ende des Golgi-Apparats werden die Proteine schließlich sortiert und in neue Transportvesikel verpackt. Abhängig von ihrem Zielort erhalten sie unterschiedliche Signalsequenzen. Dank der SNARE-Proteine erkennen diese Vesikel anschließend exakt, ob sie mit der Zellmembran, einem Lysosom oder einem anderen Organell verschmelzen müssen. Zusammengefasst: Das ER baut die Rohstoffe, der Golgi-Apparat veredelt sie und klebt das richtige Adressetikett drauf. Wie konnte ein derart präzise abgestimmtes Membran- und Transportsystem überhaupt entstehen?

Evolution des ER[6]

Die evolutionäre Entstehung des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats ist eng mit der Entwicklung des Zellkerns verknüpft. Gemeinsam schufen diese Membransysteme einen entscheidenden Vorteil: die Kompartimentierung der Zelle. Chemische Prozesse konnten nun in getrennten Reaktionsräumen stattfinden, was die Effizienz steigerte und zugleich deutlich größere und komplexere Zellvolumina ermöglichte.

Zellkern und ER bilden dabei bis heute eine strukturelle Einheit. Im Verlauf der Evolution spezialisierten sich unterschiedliche Bereiche des ER auf verschiedene Aufgaben. Einige Regionen banden Ribosomen und entwickelten sich zum rauen ER, andere spezialisierten sich auf die Lipidsynthese und wurden zum glatten ER.

Viele zentrale ER-Proteine – darunter Reticulons, REEPs, Atlastine oder VAP-Proteine – sind innerhalb der Eukaryoten stark konserviert. Das deutet darauf hin, dass bereits der gemeinsame Vorfahr aller Eukaryoten über ein komplexes ER-System verfügte. Gleichzeitig entstanden im Laufe der Evolution zahlreiche spezialisierte Varianten. Manche Proteine finden sich nur bei bestimmten Abstammungslinien, etwa bei Tieren, Pilzen und ihren nahen Verwandten, den Opisthokonten. Einige davon, wie Caspr1, wurden später sogar für hochspezialisierte Funktionen etwa im Nervensystem genutzt.

Daneben kam es immer wieder zu Genduplikationen und funktionellen Spezialisierungen, wodurch sich in verschiedenen evolutionären Linien eigene Anpassungen des ER entwickelten.

Auch die molekularen Wurzeln des ER reichen teilweise bis zu den Archaeen zurück. Mehrere zentrale Komponenten besitzen dort erkennbare Vorläufer. So verwenden Archaeen – ähnlich wie Eukaryoten – Dolicholpyrophosphat als lipidgebundenen Zuckerträger, während Bakterien ein anderes System nutzen. Auch bestimmte Bestandteile des Signal Recognition Particle-Systems, das Proteine an Membranen dirigiert, zeigen eine engere Verwandtschaft zwischen Archaeen und Eukaryoten als zu Bakterien.

Allerdings sind diese Systeme bei Archaeen deutlich einfacher aufgebaut. Erst im Verlauf der frühen Eukaryotenevolution wurden sie massiv erweitert und komplexer organisiert.

Eine der wichtigsten Funktionen des ER ist die Modifikation von Proteinen, insbesondere die sogenannte N-Glykosylierung. Dabei werden Zuckerreste an bestimmte Aminosäuren – genauer an Asparaginreste – angeheftet. Dieser Prozess beeinflusst die korrekte Faltung, Stabilität und Funktion von Proteinen und ist bei allen Eukaryoten erstaunlich konserviert. Bereits Archaeen besitzen einfache Formen solcher Glykosylierungssysteme. Doch vor der Aufspaltung der modernen Eukaryoten wurde dieses System umfassend ausgebaut – durch Genduplikationen, funktionelle Umnutzungen bestehender Proteine, evolutionäre Spezialisierungen und möglicherweise sogar durch horizontalen Gentransfer bakterieller Gene.

Evolution des Golgi-Apparates[7]

 

Der Golgi-Apparat entwickelte sich vermutlich als spezialisierte Erweiterung des endomembranösen Systems. Während das endoplasmatische Retikulum vor allem die Synthese von Proteinen und Lipiden übernahm, spezialisierte sich der Golgi-Apparat auf deren Modifikation, Sortierung und Verteilung.

 

Eine zentrale Rolle bei der Organisation des Golgi-Apparats spielen die sogenannten GRASP-Proteine. Insbesondere GRASP55 und GRASP65 ermöglichten die Ausbildung der charakteristischen gestapelten Membranzisternen des Golgi-Apparats. Ergänzt wird dieses System durch die Golgine – lange, fadenförmige Proteine, die wie molekulare „Angelruten“ funktionieren und Transportvesikel gezielt zur richtigen Golgi-Region leiten.

 

Interessanterweise besitzen manche einzellige Eukaryoten keinen deutlich sichtbaren Golgi-Apparat. Dazu gehören verschiedene Parasiten wie Giardia, Entamoeba oder Mikrosporidien. Früher interpretierte man dies als Hinweis darauf, dass frühe Eukaryoten ursprünglich keinen Golgi-Apparat besaßen.

 

Diese zunächst plausible Vorstellung erwies sich jedoch als falsch. Genomische und ultrastrukturelle Untersuchungen zeigen heute, dass diese Organismen ihren Golgi-Apparat sekundär reduziert oder verloren haben. Selbst Arten ohne sichtbare Golgi-Stapel synthetisieren weiterhin typische Golgi-Proteine. So konnte beispielsweise bei der Amöbe Mastigamoeba balamuthi mithilfe moderner Genomik und Immunmikroskopie ein nicht-gestapelter Golgi-Apparat nachgewiesen werden.

 

Das deutet stark darauf hin, dass bereits der gemeinsame Vorfahr aller heutigen Eukaryoten über die grundlegenden molekularen Komponenten eines Golgi-Apparats verfügte. Im Verlauf der Evolution kam es dann zu zahlreichen Spezialisierungen – insbesondere bei Tieren, wo viele Golgi-Proteine durch Genduplikationen vervielfältigt wurden. Dadurch entstanden zusätzliche Isoformen, die eine präzisere Sortierung und Verpackung von Transportfracht ermöglichten.

 

Trotz dieser Unterschiede blieb der Kernmechanismus des Membrantransports bemerkenswert konserviert. Beispielsweise nutzen alle Eukaryoten weiterhin das COPII-System zur Bildung von Transportvesikeln am ER.

 

Insgesamt sprechen diese Befunde dafür, dass der Golgi-Apparat ein grundlegender Bestandteil des eukaryotischen Endomembransystems ist und sich gemeinsam mit Zellkern und ER entwickelte.

 

Die Evolution der charakteristischen Golgi-Stapel brachte dabei mehrere Vorteile. Erstens erhöhte die räumliche Organisation die Effizienz: Enzyme konnten Proteine schrittweise wie an einem Fließband bearbeiten, ohne sich gegenseitig zu behindern. Zweitens entstand eine Art Qualitätskontrolle, die verhinderte, dass unvollständig verarbeitete Proteine die Zelle verlassen.

 

Die Struktur des Golgi-Apparats blieb jedoch evolutionär flexibel. Während viele Organismen stabile Stapelstrukturen besitzen, ist der Golgi bei manchen Pilzen oder Einzellern diffus im Cytoplasma verteilt. Bei Hefen liegen die Golgi-Einheiten meist verstreut vor. In komplexeren tierischen Zellen entwickelte sich daraus hingegen ein zentralisiertes, bandförmiges Netzwerk – das sogenannte Golgi-Ribbon.

 

Lange nahm man an, diese Ribbon-Struktur sei auf Wirbeltiere beschränkt. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass sie bereits beim gemeinsamen Vorfahren aller Eumetazoa – also aller Tiere außer den Schwämmen – vorhanden war. Einige Tiergruppen wie Arthropoden und Nematoden verloren diese Organisation später wieder und besitzen heute diffus verteilte Golgi-Strukturen.

 

Die Ausbildung des Golgi-Ribbons gilt als wichtiger Schritt in der Evolution komplexer Tiere, da sie eine effizientere Sortierung von Proteinen für spezialisierte Gewebe ermöglicht. Da sich diese Struktur bereits früh während der Embryonalentwicklung bildet, vermutet man zudem eine Rolle bei Prozessen wie der Zellpolarität und Zelldifferenzierung.

 

Warum manche Tiergruppen dennoch wieder auf die Ribbon-Struktur verzichten konnten, ist bislang kaum untersucht. Offenbar entwickelten ihre Zell- und Entwicklungsprozesse alternative Organisationsformen.

 

Auch Pflanzen und Pilze besitzen kein zentrales Golgi-Ribbon, sondern zahlreiche kleinere Golgi-Einheiten. Besonders bei Pflanzen hängt dies vermutlich mit ihrer starken Produktion komplexer Zellwandbestandteile zusammen. Hier führte die Evolution zu vielen unabhängigen Golgi-Stapeln, die flexibel im Cytoplasma verteilt sind.

Evolution der Vesikelproteine[8]

 

Die Evolution des Proteintransports ist eng mit der Entstehung spezialisierter Vesikelproteine verbunden – insbesondere der Hüllproteine wie COPI und COPII sowie der SNARE-Proteine. Erst durch diese molekularen Werkzeuge konnten Zellen Stoffe gezielt in Membranbläschen verpacken und kontrolliert transportieren, anstatt sie ungerichtet durch das Cytoplasma diffundieren zu lassen.

Vesikel besitzen charakteristische Proteinhüllen, die ihre Formgebung, Reifung und Zielsteuerung ermöglichen. Heute kennt man drei grundlegende Typen solcher „coated vesicles“: Clathrin-beschichtete Vesikel, die vor allem Stoffe von der Zellmembran zu Endosomen transportieren, COPII-Vesikel für den Transport vom ER zum Golgi-Apparat sowie COPI-Vesikel, die den Rücktransport vom Golgi zum ER übernehmen.

Der grundlegende Aufbau dieser Vesikelsysteme ist bei allen Eukaryoten erstaunlich konserviert. Allen gemeinsam sind Adapterproteine und membranverankerte Rezeptoren, die bestimmte Frachtmoleküle erkennen. Über diese Adapter werden Strukturproteine rekrutiert, die die Membran lokal krümmen und dadurch schrittweise die Abschnürung eines Vesikels ermöglichen.

Die formgebenden Proteine von COPI- und COPII-Vesikeln gehören zur Familie der sogenannten Coatomer-Proteine. Bei COPI bestehen diese unter anderem aus α-, β’- und ε-COP-Untereinheiten, die größere Komplexe bilden. COPII-Vesikel nutzen dagegen vor allem Sec31 und Sec13, die ein gitterartiges Gerüst um das Vesikel aufbauen.

Strukturell besitzen diese Proteine zwei charakteristische Elemente: β-Propeller- und α-Solenoid-Domänen. Beide Domänentypen kommen zwar auch bei Prokaryoten vor, ihre Kombination innerhalb desselben Proteins scheint jedoch typisch für Eukaryoten zu sein.

Daraus entstand die sogenannte Proto-Coatomer-Hypothese. Sie besagt, dass moderne Coatomer-Proteine aus einem gemeinsamen Vorläufer hervorgingen – einem einfachen membranformenden Protein, das bereits beide Domänentypen vereinte. Dieses „Proto-Coatomer“ könnte eine Schlüsselinnovation bei der Entstehung des eukaryotischen Endomembransystems gewesen sein.

Interessanterweise wurden Proteine mit β-Propeller- und α-Solenoid-Domänen auch bei den Asgard-Archaeen entdeckt, die als nahe Verwandte der Vorfahren der Eukaryoten gelten. Diese Funde stehen möglicherweise im Zusammenhang mit der frühen Entwicklung von Membranverformungen und primitiver Phagocytose.

Auch einige Bestandteile der Kernporen scheinen auf denselben evolutionären Ursprung zurückzugehen. Kernporen bestehen aus mehreren ringförmig angeordneten Proteinkomplexen mit charakteristischer achtfacher Symmetrie. Zwischen einem äußeren und inneren Ring liegt ein zentraler Transportkanal, über den der Austausch zwischen Zellkern und Cytoplasma erfolgt.

Mehrere dieser Kernporenproteine zeigen auffällige strukturelle Ähnlichkeiten zu Coatomer-Proteinen der Vesikelhüllen. Wahrscheinlich gingen beide Systeme auf denselben molekularen Vorläufer zurück. Durch Genduplikationen und funktionelle Spezialisierungen entwickelte sich daraus einerseits das Vesikeltransportsystem und andererseits der Kernporenapparat der entstehenden Kernhülle.

Outro

Wir haben heute gesehen, wie die eukaryotische Zelle zu einem vernetzten Fabriksystem wurde. Cytoskelett, Motorproteine, ER, Golgi, Vesikel — und jedes einzelne System hat evolutionäre Wurzeln, die tiefer reichen, als selbst viele Lehrbücher zugeben.

Die meisten Menschen stellen sich Evolution als eine Kette von Neuerfindungen vor. Aber das Gegenteil ist wahr. Die eukaryotische Zelle ist kein neu konstruiertes Uhrwerk. Sie ist ein Meisterwerk des Umbaus. Alte Proteine, umfunktioniert. Prokaryotische Werkzeuge, verfeinert. Archaeelle Systeme, massiv ausgebaut.

Und das bringt uns zur nächsten Frage. Wir haben überall über Proteine geredet — Proteine, die transportieren, falten, modifizieren, sortieren, abschnüren. Aber jedes dieser Proteine muss irgendwo produziert werden.

Das sind die Ribosomen. Keine Membran, kein Kompartiment. Nur RNA und Protein. Und dennoch die wichtigste Fabrik der gesamten Zelle. Ohne Ribosomen läuft nichts. Kein ER, kein Golgi, kein Cytoskelett. Kein Leben, wie wir es kennen.

Wie sind Ribosomen entstanden?

Das klären wir in der nächsten Episode. Bis dahin: Lasst gerne ein Like und ein Abo da. Denn es gibt offenbar noch unendlich viele molekulare Maschinen, die darauf warten, verstanden zu werden.

 

[1] Allgemeine Literatur zum Cytoskelett findet sich u. a. bei:

  • Alberts, B. et al.: Molecular Biology of the Cell (aktuelle Auflagen, z.B. 7. Auflage, 2022); Kapitel 16

Eine Reihe an Literatur hat Cytoskelett-ähnliche Proteine in Prokaryoten entdeckt und daraus evolutionäre Szenarien zur Entstehung des Cytoskeletts bei Eukaryoten abgeleitet:

[2] Siehe:

[3] Siehe:

[4] Allgemeine Literatur zum ER siehe:

[5] Allgemeine Literatur zum GA siehe:

[6] Siehe:

Zu Proteindomänen und Dolicholpyrophosphat bei Archaeen siehe:

  • Chang MM et al. (2015). N-Linked Glycans Are Assembled on Highly Reduced Dolichol Phosphate Carriers in the Hyperthermophilic Archaea Pyrococcus furiosus. PLoS One. 10(6):e0130482. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26098850/
  • Eichler J, Guan Z (2017). Lipid sugar carriers at the extremes: The phosphodolichols Archaea use in N-glycosylation. Biochim Biophys Acta Mol Cell Biol Lipids. 1862(6):589-599. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5424534/
  • Guan Z et al. (2010). Distinct glycan-charged phosphodolichol carriers are required for the assembly of the pentasaccharide N-linked to the Haloferax volcanii S-layer glycoprotein. Mol Microbiol. 78(5):1294-303. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3074503/

Zum Signal Recognition Particle System:

[7] Zur Evolution des Golgi-Apparates:

Zur Evolution bzw. Funktion einzelner Proteine des Golgi-Apparates (v. a. Transportproteine):

Zum Golgi-Ribbon:

[8] Siehe:

 

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