Die Membran, die Zellen in lebenden Organismen umgibt, ist äußerst flexibel und empfindlich. Wie sie sich vor Schäden schützt und erneuert, ist für viele Prozesse des Lebens entscheidend – und im Detail noch gar nicht vollständig verstanden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich konnten nun aber mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie faszinierende neue Einblicke gewinnen.

Ein Organismus als Untermieter in einem anderen – in der Biologie funktioniert das oft ganz gut. ETH-Forschende beleuchten jetzt, wie sich eine solche Lebensgemeinschaft von einer Zelle in einer anderen etablieren kann.

Informatik: Veröffentlichung in PLOS Biology

Für den ständigen Austausch von Stoffen in und aus einer biologischen Zelle heraus sind Transportproteine verantwortlich. Es ist aber schwierig zu bestimmen, welche Stoffe ein bestimmtes Protein transportieren kann. Bioinformatiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben nun mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) ein SPOT genanntes Modell entwickelt, das dies mit hoher Genauigkeit vorhersagen kann. In der Fachzeitschrift PLOS Biology stellen sie ihren neuen, für beliebige Transportproteine geeigneten Ansatz vor.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie haben erforscht, wie ein parasitäres Bakterium die Zellkerne von Muscheln, die an heißen und kalten Quellen in der Tiefsee leben, befällt und sich dort vermehrt. Sie zeigen, wie eine einzelne Bakterienzelle in den Kern der Muschel eindringt und sich dort auf über 80.000 Zellen vermehrt, und gleichzeitig dafür sorgt, dass ihre Wirtszelle am Leben bleibt.

Forschende entwickeln einen bakteriell produzierten Wirkstoff, der die zelluläre Immunantwort gezielter hemmt, ohne das Abfallsystem der Zelle zu blockieren

Das Immunoproteasom ist für die zelluläre Immunantwort unerlässlich. Bei Autoimmunerkrankungen ist es jedoch überaktiv. Bisher gelang es jedoch nicht, es selektiv zu hemmen, ohne andere Mechanismen der Zelle zu beeinträchtigen. Nun konnten Forschende um Prof. Helge Bode durch eine selbst entwickelte Technik die Bildung eines bakteriellen Naturstoffes manipulieren, so dass ein neuartiger, selektiverer Wirkstoff entsteht. Die Ergebnisse bereiten damit den Weg für eine gezieltere Hemmung des Immunoproteasoms.

Krankmachende Proteine können durch gezielten Proteinabbau aus der Zelle entfernt werden. Dazu muss das Protein mit einer von ca. 600 körpereigenen sog. Ubiquitin-Ligasen verbunden werden, klinischen Erfolg hatte man bisher nur mit zwei davon. Eine Forschungsgruppe am CeMM unter der Leitung von Georg Winter hat nun einen Adapter für eine neue Ligase entdeckt, mit der die Palette an medizinischen Anwendungen erheblich erweitert werden könnte. Darüber hinaus gelang es, den Wirkmechanismus dieses Adapters aufzuklären, was zu einer neuen allgemeinen Strategie für den gezielten Proteinabbau führen könnte. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlich (DOI: 10.1038/s41467-024-49739-3)

Detaillierte Analyse der Asymmetrie der DNA-Doppelstränge

Krebsgenome sind das Ergebnis vielfältiger Mutationsprozesse, die sich oft über Jahrzehnte angesammelt haben. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) sowie von den Universitäten Cambridge und Edinburgh haben die molekulare Evolution von Tumoren nach der Einwirkung erbgutschädigender Chemikalien analysiert. DNA-Schäden, die über mehrere Zellgenerationen hinweg unrepariert überdauern, führen zu Sequenzvariationen am Ort des Schadens, deren Quantifizierung Einblicke in die Kinetik und Mechanismen der DNA-Reparatur gewährt.

Mehrere Millionen Zellen teilen sich sekündlich in unseren Körpern. Bei der Kernteilung (Mitose) muss das Erbgut fehlerfrei und vollständig zwischen den Tochterzellen verteilt werden. Fehler in diesem Prozess können zu Fehlentwicklungen oder genetischen Störungen führen, und auch viele Krebszellen sind charakterisiert durch ungleiche Zahlen an Chromosomen. Zeichnen sich daher Fehler im Teilungsprozess ab, kann die Zelle ihn aufhalten. Biolog:innen der Universität Duisburg-Essen konnten diesen Prozess auf molekularer Ebene aufklären. Das Fachmagazin „Current Biology“ berichtet.

Pflanzen verfügen über spezielle Korrektur-Moleküle, die Genabschriften nachträglich verändern können. Doch offensichtlich haben diese „Tipp-Ex-Proteine“ nicht in allen Bereichen der Zelle eine Arbeitserlaubnis. Stattdessen kommen sie ausschließlich in Chloroplasten und Mitochondrien zum Einsatz. Eine Studie der Universität Bonn erklärt nun, warum das so ist: Demnach würde der Korrekturmechanismus ansonsten auch fehlerfreie Abschriften verändern – mit fatalen Folgen für die Zelle. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift The Plant Journal erschienen.

Ein Licht anknipsen und die innere Dynamik einer Zelle verstehen und steuern – das ist der Dimova-Gruppe gelungen. Das Team bestrahlte Zellreplikate mit verschiedenfarbigem Licht und veränderten dadurch die Wechselwirkungen zwischen den Zellelementen. Die Steuerung dieser komplexen Prozesse könnte es in Zukunft ermöglichen, Medikamente gezielt in die Zellen einzubringen. Auf Knopfdruck ließe sich diese Verabreichung anpassen oder sogar umkehren, was die Behandlung von Zellen auf intelligente, präzise und nicht-invasive Weise revolutionieren könnte

Raucher:innen und Konsument:innen von E-Zigaretten teilen nicht nur eine Gewohnheit, sondern auch ähnliche, mit Krebs assoziierte Veränderungen an Zellen, so eine neue Studie von Wissenschaftler:innen der Universität Innsbruck und dem University College London (UCL), veröffentlicht in der Fachzeitschrift Cancer Research.

Forschende messen mit neuer Methode Wärmefluss: vom Stoffwechsel in der Zelle bis zur flimmernden Zellmembran

Entropie wird oft mit Unordnung und Chaos in Verbindung gebracht. Dabei steht die Entropie, die eng mit unserem Begriff von Wärme verwandt ist, in der Biologie im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen, die uns am Leben halten: dem Stoffwechsel und dem Energietransport.

Verbinden statt trennen: Widersprüchliche Adressanhänger an Enzymen fungieren als Haltetaue, um Organellen in Zellen aneinander zu binden. Das hat eine internationale Forschungsgruppe unter Marburger Leitung herausgefunden, als sie Enzyme untersuchte, die mit Adressanhängern für verschiedene Ziele ausgestattet sind. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berichten im Fachblatt „PLOS Biology“ über ihre Ergebnisse.

Ubiquitin ist ein kleines Protein mit großer Wirkung. Vom Hefepilz bis hin zum Menschen dient es als molekulares Etikett, das viele Prozesse der Zelle reguliert. Ubiquitin-Ligasen sind dabei als Etikettier-Maschinen unerlässlich: Sie heften Ubiquitin an die zu steuernden Proteine an. Ist dieser Etikettier-Vorgang gestört, können Prozesse in der Zelle krankhaft verändert sein. Ein Team um Sonja Lorenz am Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften hat nun die Ubiquitin-Ligase HACE1 gebunden an ein wichtiges Zielprotein in 3D sichtbar gemacht. Die Forschenden konnten so Mechanismen aufdecken, wie HACE1 Proteine erkennt und wie dieser Vorgang reguliert wird.

Wie es Bakterien schaffen, auch unter den widrigsten Umweltbedingungen ihre „innere Ordnung“ aufrecht zu erhalten, untersucht Prof. Inga Hänelt an der Goethe-Universität. In einem Beitrag der neuen Ausgabe von „Forschung Frankfurt“ erklärt die Forscherin, wie Bakterien ein mehrstufiges Krisenmanagement für die Aufnahme von lebenswichtigem Kalium aufgebaut haben – und welche Pläne sie und ihre Kolleg*innen mit der Clusterinitiative SCALE haben, die gerade die erste Hürde im Wettbewerb der Exzellenzinitiative genommen hat. In weiteren Beiträgen gibt das Forschungsmagazin der Goethe-Universität unter dem Titel „(Un)Ordnung“ Einblicke etwa zu den Themen Populismus, Rebellionen und Saatgutbanken.

Ein Forschungsteam beobachtet einen seltenen, aktuellen Fall von Retrovirus-Integration. Retroviren sind Viren, die sich vermehren, indem sie ihr genetisches Material in das Erbgut einer Wirtszelle einbauen. Ist die infizierte Zelle eine Keimzelle, kann das Retrovirus anschließend als „endogenes“ Retrovirus (ERV) an Nachkommen weitergegeben werden und sich als Teil des Wirtsgenoms in einer Art verbreiten. In Wirbeltieren sind ERVs allgegenwärtig und machen bis zu 10% des Wirtserbgutes aus. Die meisten Retrovirus-Integrationen sind sehr alt, teilweise abgebaut und inaktiv – ihre anfänglichen Auswirkungen auf die Gesundheit des Wirts sind durch Millionen von Jahren der Evolution nivelliert.

Die Öffnung von Calciumkanälen führt zu einem tödlichen Calciumeinstrom in Tumorzellen
Calciumionen sind zwar lebensnotwendig für Zellen, wirken in höheren Konzentrationen aber als Gift. Einem Forschungsteam ist es nun gelungen, mit einem Kombinationswirkstoff den Einstrom von Calcium in die Zelle so zu beeinflussen, dass tödliche Konzentrationen entstehen. Eine externe Calciumquelle ist dafür nicht nötig, da nur das gewebeeigene Calcium aktiviert wird, heißt es in der Studie, die in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurde.

Forschungsteam untersucht Vielfalt und Evolution von Grünalgen und entdeckt frühe Vielzelligkeit

Landpflanzen sind in ihren Bauplänen extrem vielfältig. Von allen Organismen, die Fotosynthese betreiben, sind sie in ihren Formen und Strukturen am komplexesten. Mit ihnen eng verwandte Grünalgen sind einfacher gebaut: Die Lebewesen mancher Arten bestehen nur aus einer Zelle, andere Arten sind mehrzellig und etwa fadenförmig oder verzweigt. Wie hat sich die morphologische Komplexität im Laufe der Evolution herausgebildet? Dem sind Forschende unter Leitung der Universität Göttingen bei Streptophyten, zu denen die Landpflanzen und viele Grünalgen gehören, auf den Grund gegangen.

Manche bakteriellen Membrantransporter arbeiten fast wie Lastenaufzüge, um Substanzen durch die Zellmembran in das Innere der Zelle zu transportieren. Der Transporter selbst durchspannt dabei die Zellwand. Ein lösliches Protein außerhalb des Bakteriums bringt wie ein Gabelstapler die Substanz zum „Fahrstuhl“ und entlädt dort seine Ladung. Diese wird vom Lastenaufzug ins Innere der Zelle, also quasi in ein anderes Stockwerk gebracht. Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn haben nun in Zusammenarbeit mit einem Team der Universität York das Zusammenspiel von Transporter und Zubringer aufgeklärt.

Der dynamische Prozess des DNA-Replikations-Timing beeinflusst die Plastizität von Zellen

Um Leben von einer Zelle auf eine neue zu übertragen, muss die genetische Information mittels eines Prozesses namens DNA-Replikation vervielfältigt werden. Das geschieht nicht nur durch das „Kopieren“ genetischer Informationen; vielmehr erfordert es eine präzise Abfolge zahlreicher molekularer Ereignisse. Forschende um Prof. Maria-Elena Torres-Padilla von Helmholtz Munich haben kürzlich einen speziellen Aspekt dieses Prozesses namens „Replication Timing“ (RT) und dessen Besonderheiten bei der Entstehung von neuem Leben aufgedeckt. Die neuen Ergebnisse sind nun in Nature veröffentlicht.

Lysosomen haben wichtige Aufgaben in Zellen und Geweben, sie steuern sowohl den Stoffabbau als auch Zellteilung und -wachstum. Wie beides mit dem Nährstoffangebot in der Zelle zusammenhängt, hat ein Team um Prof. Volker Haucke und Dr. Michael Ebner vom FMP untersucht. Die Forschenden konnten erstmals zeigen, dass Lysosomen massiv umgebaut werden. Dabei fungiert ein Signallipid als Schalter zwischen beiden Zuständen. Die im Fachmagazin „Cell“ publizierten Ergebnisse könnten zur Entwicklung von Wirkstoffen genutzt werden, die Zellen von Patienten mit neurodegenerativen oder metabolischen Erkrankungen gezielt dazu anregen, schädliche Eiweißmoleküle im Zellinneren abzubauen.

Epigenetisch wirkende Medikamente ermöglichen, dass in der Zelle Bereiche des Erbguts abgelesen werden, die vorher blockiert und unzugänglich waren. Das führt zur Bildung neuer mRNA-Abschriften und auch neuer Proteine, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Deutschen Krebsforschungszentrum und vom Universitätsklinikum Tübingen jetzt veröffentlichten. Diese „therapieinduzierten Epitope“ könnten das Immunsystem beim Erkennen von Krebszellen unterstützen.

ETH-​Forschende haben in Wirbeltierzellen ein neues zelluläres Kompartiment identifiziert, das Exklusom genannt wird und ein Vorläufer des heutigen eukaryotischen Zellkerns sein könnte. Die Studie zeigt: Säugetierzellen erkennen, bündeln und sortieren nicht-​chromosomale DNA, wie ringförmige Plasmide von ausserhalb und innerhalb der Zelle, und halten sie von chromosomaler DNA fern. Das lässt auf ein zellautonomes Genomabwehrsystem schliessen.

Forschende der ETH Zürich haben eine Methode entwickelt, mit der sie in Tieren jede Zelle anders genetisch verändern können. Damit können sie in einem einzigen Experiment untersuchen, wozu früher viele Tierversuche nötig waren. Die Forschenden haben damit Gene entdeckt, die relevant sind für eine schwere, seltene Erbkrankheit.

Wie ein Virus seine DNA-Verpackung verändert, um in der menschlichen Zelle aktiv zu werden