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Gerüst des Zellkerns im Forscher-Fokus

Forschung Marburg: Zellskelett Gerüst des Zellkerns im Forscher-Fokus

Das für die Bildung des Gerüsts im Zellkern verantwortliche Protein Aktin nimmt der Marburger Pharmakologe Professor Robert Grosse in einem internationalen Forschungsverbund genauer unter die Lupe.

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Dr. Christian Baarlink, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Professor Grosse, sitzt im Pharmakologischen Institut der Uni Marburg an einem Mikroskop, an dem man die Zell-Bewegungen studieren kann. Auf dem großen Bildschirm rechts sieht man die Darstellung ­einer Zelle mit Kern, in der die Aktinketten grün eingefärbt sind.

Quelle: Tobias Hirsch

Marburg. Wie das Protein Aktin im Zellkern zur Organisation und Funktion des menschlichen Erbguts beiträgt, dieser spannenden Frage geht Professor Robert Grosse, Direktor des am Fachbereich Medizin angesiedelten Instituts für Pharmakologie, zusammen mit seiner Arbeitsgruppe nach. Bereits seit dem Jahr 2000 erforscht er Aktin, das auch schon damals dafür bekannt war, dass es im Zellplasma eine wichtige Rolle bei der Bildung des Zellskeletts spielt.

„Dieses Zytoskelett verleiht den Zellen Stabilität und sorgt vergleichbar mit Zeltstangen für eine Struktur“, erklärt Grosse die Funktionsweise. Es sei auch für die Organisation der Zelle und deren Beweglichkeit mitentscheidend.

„Das Faszinierende daran ist auch das Visuelle“

Auf sein Forschungsthema stieß der Marburger Professor vor 16 Jahren bei einem Forschungsaufenthalt in London im Anschluss an seine Doktorarbeit. „Das Faszinierende daran ist auch das Visuelle“, erklärt Grosse im Gespräch mit der OP. Die Dynamik der Bewegungen, die sich in der bis zu tausendfachen Vergrößerung unter dem Mikroskop beobachten lässt, begeistert ihn besonders. Doch neben der rein ästhetischen Wirkungskraft, bei der die Darstellung der Vorgänge innerhalb der Zellen auch eine künstlerische Dimension gewinnen, interessiert Professor Grosse auch die wichtige Funktion der von ihm untersuchten Forschungsobjekte im Miniaturformat. So hat er untersucht, wie Signale in der Zelle die Dynamik der Proteine beeinflussen, die sich zu Ketten, den sogenannten Filamenten, zusammenschließen. Im Jahr 2013 gelang Grosse mit seinem Team eine besondere Entdeckung: Diese Filamente befinden sich auch im Zellkern, wo die genetischen Informationen gespeichert werden.

Auf ihre Spur kam er durch einen in den Zellkernen vorhandenen speziellen Transkriptionsfaktor - ein spezielles Protein, das wiederum Aktin bindet. Dessen Vorhandensein deutete zwar auch auf Aktin im Zellkern hin. Doch erst dank einer gezielten Licht-Aktivierung mithilfe von Laserlicht gelang es den Marburger Wissenschaftlern, die Aktinketten im Zellkern nachzuweisen. Zwar kommen sie dort deutlich seltener vor als im übrigen Bereich der Zelle, doch trotzdem sind sie deutlich erkennbar. Diese Entdeckung eröffnete ein weiteres, neues Forschungsfeld. Dieses will Grosse nun mit zwei internationalen Partnern aus Großbritannien und Japan in einem Forschungsverbund gemeinsam weiter betreten (siehe Artikel unten). Spannend ist für den Marburger Wissenschaftler besonders die Frage der Bedeutung des Aktin-Gerüsts im Zellkern bei grundlegenden biologischen Prozessen wie der Zellteilung oder Umprogrammierung von Stammzellen. „Wie organisieren die Aktinketten dann in dem nach der Zellteilung entstandenen neuen Kern die genetische Information?“: Das wollen die Marburger Forscher unter anderem in ihrem neuen Forschungsprojekt herausfinden.

Ein genaueres Verständnis dieser Funktionsweisen könnte auch dazu beitragen, neue Medikamente in der Tumor-Therapie auf den Weg zu bringen. Dieses Ziel mit seinem Forschungsvorhaben zu erreichen, hält der Pharmakologe durchaus für vielversprechend.

In diesem Zusammenhang verweist er auch auf ähnliche Herangehensweisen bei der Entwicklung von Krebsmedikamenten mithilfe von Taxanen. Das sind natürlich vorkommende Stoffe, die das Zellwachstum und die Zellteilung hemmen. Deren Funktionsweise basiert auf der Zerstörung von Mikrotubuli, röhrenförmigen Proteinketten, die ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Zellteilung und der Bildung des Zellskeletts spielen.

von Manfred Hitzeroth

Kooperation mit Forschern aus England und Japan

Bei der Erforschung des Gerüstes des Zellkerns werden von den Marburger Forschern unterschiedliche Methoden ­verwendet.
Es ist ein Forschungsprojekt der Lebenswissenschaften aus dem Fachbereich Medizin. Das übergeordnete Ziel ist es, Wirkstoffe für Medikamente zu identifizieren. Dabei verwenden die Forscher aus der Arbeitsgruppe von Professor Robert Grosse Methoden aus der Molekularbiologie, der Biochemie und der Zellbiologie.

Bei den Experimenten unter dem Mikroskop wird mit Mauszellen sowie menschlichen Tumorzellen oder Brustgewebs-Zellen gearbeitet. Unter einem speziellen Mikroskop können die Forscher lebende Zellen beobachten und dabei auch beispielsweise mithilfe der Aufzeichnung durch eine Kamera nachvollziehen, wie der ein bis zwei Stunden andauernde Prozess der Zellteilung vor sich geht.

Der besondere Fokus liegt dabei momentan darauf, die Funktion des Proteins Aktin beim Aufbau des Gerüstes im Zellkern zu analysieren.

Dieses können die Wissenschaftler mithilfe von Laserlicht sichtbar machen. Dabei stehen prinzipiell die drei Farben Rot, Grün und Blau zur Verfügung, um das Geschehen in der Zelle und vor allem im Zellkern anschaulich darzustellen und die Aktin-Proteine bei der Kettenbildung besonders sichtbar zu machen.

Grundlegende Fragen der Lebenswissenschaften

Im Zeitraffer der Aufnahmen sieht man im zusammenfassenden Ergebnis beispielsweise, wie sich aus einzelnen grün-leuchtenden Punkten größere Ansammlungen bilden: die Skelette von Zelle und Zellkern werden so sichtbar.
In diesem Fall verwenden die Wissenschaftler eine Methode aus der Synthetischen Biologie. Sie schalten mit dem Licht ein Protein im Zellkern an und erkennen damit dort eine neue Struktur.

Ein Netzwerk aus Aktin (grün gefärbt) dominiert nicht nur das Zellinnere außerhalb des Kerns, sondern findet sich auch in dessen Inneren. Die Kernhülle ist rot markiert. Foto: AG Grosse

Quelle:

Die Förderorganisation „Human Frontier Science Program“ (HFSP) finanziert das Forschungsvorhaben unter Leitung des Marburger Pharmakologen Professor Robert Grosse für die kommenden drei Jahre mit einer Summe von mehr als einer Million US-Dollar. Die HFSP  unterstützt vor allem fach- und länderübergreifende Kooperationen zu grundlegenden Fragen der Lebenswissenschaften.

In der aktuellen Förderrunde setzten sich nur 32 von 870 Antragsstellern durch. „Der Erfolg bei einer derart kompetitiven Ausschreibung zeigt, dass unsere Lebenswissenschaftler an relevanten Themen arbeiten und international wettbewerbsfähig sind“, freut sich die Marburger Uni-Präsidentin Professorin Katharina Krause über den Erfolg von Grosse. Der Marburger Forscher arbeitet in dem neuen Forschungsverbund mit zwei internationalen Kooperationspartnern zusammen. Dr. Abderrahmane Kaidi aus Bristol (Großbritannien) benutzt bildgebende Verfahren und geno­mische Werkzeuge für die Untersuchung von Mechanismen, die bei der Verdichtung der Kernsubstanz zur Anwendung kommen. Der britische Forscher arbeitet an dem Stoff Chromatin. Das ist ein Komplex aus DNA und Proteinen – der Stoff, aus dem die Chromosome sind und der in der Zelle für die Verpackung der genetischen Information zuständig ist. Besonders interessiert ist Kaidi an dem in Marburg entwickelten Lichtverfahren zur Sichtbar­machung von Zellbestandteilen.

Der japanische Forscher Dr. Kei Miyamoto aus Kinki erforscht die Umprogrammierung von Eizellen an einer Krallenfrosch-Art und ist zudem spezialisiert auf die Erforschung der Stammzellen.

Für die drei Forscher ist die Förderung durch das renommierte internationale Förderprogramm einerseits eine große Ehre. Das Fördergeld, das durch drei geteilt wird, hilft aber auch bei der Finanzierung von Mitarbeitern sowie gemeinsamen Treffen der Wissenschaftler.

von Manfred Hitzeroth

Hintergrund

Professor Robert Grosse ist Leiter des Pharmakologischen Institutes des Fachbereichs Medizin, das ein Bestandteil des in 2011 gegründeten „Biochemisch-Pharmakologischen Centrums“ ist. Im Vorfeld der Zentrumsgründung wurden in den Fachbereichen Medizin und Pharmazie insgesamt fünf neue Professoren mit biochemisch-pharmakologischen Forschungsschwerpunkten berufen: Das waren in der Medizin Gerhard Schratt (Institut für Physiologische Chemie) und Robert Grosse (Pharmakologisches Institut) in der Pharmazie Moritz Bünemann und Jens Kockskämper (beide Pharmazie) sowie auf dem Fachgebiet der Klinischen Pharmazie Carsten Culmsee. In den vergangenen beiden Jahren wurden noch Marco Rust (Physiologische Chemie) und Thomas Worzfeld (Pharmakologie) als Professore berufen.

Insgesamt zehn Professoren arbeiten mit ihren Arbeitsgruppen in dem Uni-Forschungsgebäude in der Karl-von-Frisch-Straße 1 in der Mitte zwischen dem Fachbereich Biologie und dem Neuen Botanischen Garten. Ziel der Uni-Verantwortlichen war es, mit einer neuen ­Struktur fachbereichsübergreifende und interdisziplinäre Synergien in Forschung und Lehre zu ermöglichen. Die Arbeiten der fünf Professoren konzentrieren sich auf die ­Gebiete der Rezeptor­pharmakologie, der Tumorforschung, der ­Forschung zu Herz- und Gefäßerkrankungen und neurowissenschaftliche Themen.

Zur Person
Professor Robert Grosse (46) wurde in Berlin geboren. Seit dem Jahr 2009 ist er Professor für Pharmakologie am Fachbereich Medizin der Marburger Universität. Er ist auch Direktor des Institutes für Pharmakologie der Uni Marburg. Von 1990 bis 1997 studierte er Medizin an der Universität Halle-Wittenberg und an der Freien Universität Berlin. Nach seiner Dissertation 1999 in Berlin folgte 2009 die Habilitation an der Uni Heidelberg.  Sein Forschungsschwerpunkt ist die Regulation und Funktion des Aktin-Zellskeletts.
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