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    High-End-Mikroskopie weiter verfeinert

    01.07.2020

    Von einer wichtigen Zellstruktur sind jetzt neue Details bekannt: Erstmals haben zwei Würzburger Forschungsgruppen den synaptonemalen Komplex dreidimensional mit einer Auflösung von 20 bis 30 Nanometer abgebildet.

    Links zwei spermienbildende Zellen, die mit ExM-SIM expandiert und mit einem beugungsbegrenzten Mikroskop abgebildet wurden. Rechts die detaillierte 3D-Aufnahme eines einzelnen synaptonemalen Komplexes. Die 3D-Information ist farblich kodiert, der Messbalken links entspricht 25 Mikrometer, der rechts drei Mikrometer.
    Links zwei spermienbildende Zellen, die mit ExM-SIM expandiert und mit einem beugungsbegrenzten Mikroskop abgebildet wurden. Rechts die detaillierte 3D-Aufnahme eines einzelnen synaptonemalen Komplexes. Die 3D-Information ist farblich kodiert, der Messbalken links entspricht 25 Mikrometer, der rechts drei Mikrometer. (Bild: Arbeitsgruppen Benavente und Sauer / Universität Würzburg)

    Der synaptonemale Komplex ist eine leiterförmige Zellstruktur, die bei der Entstehung von Ei- und Spermienzellen beim Menschen und anderen Säugetieren eine tragende Rolle spielt. „Die Struktur dieses Komplexes wurde in der Evolution kaum verändert, aber seine Proteinkomponenten unterscheiden sich von Organismus zu Organismus sehr stark“, sagt Professor Ricardo Benavente, Zell- und Entwicklungsbiologe am Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

    Das weise darauf hin, dass der Aufbau für eine ungestörte Funktion des Komplexes ausschlaggebend ist. Benavente erforscht die Struktur des synaptonemalen Komplexes gemeinsam mit Markus Sauer, Professor für Biotechnologie und Biophysik am Biozentrum. Die neuesten Erkenntnisse der beiden Arbeitsgruppen sind im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

    Die Daten weisen unter anderem darauf hin, dass der synaptonemale Komplex im Fall der Maus nicht wie bislang angenommen doppelschichtig, sondern weitaus komplexer organisiert ist.

    Mikroskopie-Techniken ausgeklügelt kombiniert

    „In unserer Studie haben wir die strukturierte Beleuchtungsmikroskopie SIM mit verschiedenen Vorgehensweisen der Expansionsmikroskopie ExM kombiniert“, erklärt Sauer, der Experte für hochauflösende Mikroskopie ist. Die ExM ermöglicht ein Mehr an Auflösung, indem die Zielstrukturen in ein quellbares Polymer eingebettet und dann physikalisch auseinandergetrieben werden.

    Die ExM in Kombination mit der SIM ermöglichte es den Forschern erstmals, die Ultrastruktur des synaptonemalen Komplexes dreidimensional in Mehrfarben-Abbildung mit einer räumlichen Auflösung von 20 bis 30 Nanometer zu zeigen.

    „Führt man die Immunmarkierung erst nach der Expansion des Komplexes durch, lässt sich die Antikörperzugänglichkeit im Vergleich zu anderen hochauflösenden Methoden verbessern. Dadurch konnten wir bislang verborgene Details der molekularen Organisation entschlüsseln“, so Benavente und Sauer. Außerdem lassen sich die Bilder nun mit fast molekularer Auflösung auf einem Standardlichtmikroskop aufnehmen.

    Mit der Kombination aus ExM-SIM wollen die JMU-Teams nun weitere Details aus der molekularen Architektur des synaptonemalen Komplexes und anderer Multiproteinkomplexe erkennen.


    Info-Box: Synaptonemaler Komplex

    Der synaptonemale Komplex ist letzten Endes für die Individualität des Menschen mitverantwortlich. Er kommt ausschließlich in den Zellen vor, aus denen sich die Ei- und Spermienzellen des Menschen und anderer Säugetiere entwickeln. Der Komplex sorgt mit dafür, dass die Chromosomen untereinander Erbmaterial austauschen. So entstehen aus einer nachfolgenden Zellteilung jeweils ganz individuelle Ei- oder Spermienzellen.
     

    Publikation

    Tracking down the molecular architecture of the synaptonemal complex by expansion microscopy, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-17017-7

    Kontakt

    Prof. Dr. Ricardo Benavente, Lehrstuhl für Zell- und Entwicklungsbiologie, Biozentrum, Universität Würzburg, T +49 931 31-84254, benavente@biozentrum.uni-wuerzburg.de

    Prof. Dr. Markus Sauer, Lehrstuhl für Biotechnologie und Biophysik, Biozentrum, Universität Würzburg, T +49 931 31-88687, m.sauer@uni-wuerzburg.de

    Förderer

    Die beschriebenen Arbeiten wurden finanziell gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 166 „ReceptorLight“, vom Boehringer Ingelheim Fonds und durch einen Grant des Howard Hughes Medical Institute (HHMI).

    Von Robert Emmerich

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