Durchgang nur für Auserwählte

Im Inneren lebender Zellen wird ständig Fracht von einem Ort zum anderen transportiert. Winzige Poren in der Zellkern-Hülle fungieren dabei als hochselektive Tore: Während kleinere Moleküle meist ungehindert passieren können, sind größere auf ein Shuttle angewiesen – ein Service, den das HIV für seine Vermehrung in der Wirtszelle missbraucht.

Der Frachtverkehr zwischen den einzelnen Kompartimenten steht dabei der Rushhour einer Großstadt in nichts nach. Allein der Stoffaustausch zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma ist gewaltig. So produzieren die Proteinfabriken (Ribosomen) außerhalb des Zellkerns, wodurch sämtliche für den Zellkern bestimmte Proteine aus dem Zytoplasma importiert werden müssen. Der Zellkern wiederum archiviert die Baupläne der Proteine in Form der Gene. Abschriften dieser Baupläne (Boten-Ribonukleinsäuren) müssen daher aufwendig zu den Proteinfabriken in das Zytoplasma exportiert werden. Nicht zuletzt liefert der Kern auch die Ribosomen-Untereinheiten selbst, die im Zytoplasma zu funktionstüchtigen Proteinfabriken zusammengesetzt werden.

Was in den Zellkern hinein und hinaus darf, wird streng kontrolliert. Der Zellkern ist für Proteine und andere Makromoleküle durch zwei Membranen hermetisch abgeriegelt. Durchlass erlauben nur die etwa 3000 Kernporen, die in die Kernmembran eingebettet sind. Mehr als eine Million Zell-Bausteine werden in jeder Minute durch die Kernporen einer menschlichen Zelle hindurchgeschleust. Kernporen fungieren dabei als hochselektive Sortiermaschinen.

„Jede von ihnen kann bis zu 1000 Frachtkomplexe pro Sekunde ‚abfertigen’“, erklärt Zellbiologe Dirk Görlich, Leiter der Abteilung Zelluläre Logistik am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Während Kernporen die meisten kleinen Moleküle ungehindert passieren lassen, sind große Makromoleküle für ihren Transport durch die Kernpore auf Shuttle-Moleküle angewiesen. Diese haben das Privileg, die Kernporen nahezu ungehindert passieren und dabei Fracht mitnehmen zu können. Allerdings darf nicht jeder Passagier an Bord, sondern die Shuttles erkennen mit molekularer Präzision, welche Moleküle in den Kern, welche aus dem Kern und welche gar nicht transportiert werden sollen.

Ein wahres Multitalent unter den Shuttle-Molekülen ist der Transporter CRM1. Er exportiert hunderte, wenn nicht gar tausende verschiedene Zell-Bausteine aus dem Kern in das Zytoplasma. Das Spektrum seiner Fracht reicht von einzelnen Proteinen bis hin zu den gigantischen Ribosomen-Untereinheiten für die Proteinfabriken. Das Humane Immundefizienz-Virus (HIV) missbraucht dieses Shuttle-Molekül allerdings für eigene Zwecke. Um sich zu vermehren, schleust das HIV sein Erbgut in das Genom der Wirtszelle ein und programmiert diese auf die Produktion von Virus-Partikeln um. Mithilfe zelleigener Enzyme wird das virale Erbgut in Ribonukleinsäure kopiert, über den CRM1-Transporter in das Zytoplasma der Wirtszelle exportiert und schließlich in neue Viruspartikel verpackt.

CRM1 erkennt sein Frachtgut anhand sogenannter Exportsignale, die einen Sequenzabschnitt von neun bis 14 Aminosäuren umfassen. Aber wie kann CRM1 derart variable Signale erkennen und somit Frachtmoleküle korrekt von allen anderen Objekten unterscheiden? Bei der Kontrolle seines Frachtguts lässt sich CRM1 nicht ohne Weiteres beobachten – die Transportkomplexe sind selbst für beste Lichtmikroskope viel zu klein.

„Erst mithilfe der Röntgenstrukturanalyse konnten wir CRM1 mit seinem Frachtgut in atomarem Detail untersuchen. Wir haben so das Transportgut gewissermaßen durch die ‚Brille’ des Rezeptors betrachtet“, erzählt Thomas Güttler.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie