Biologische Zellmembranen und ihre Untereinheiten (Organellen) sind in winzige Bereiche (Nanodomänen) unterteilt, die aus Fetten (Lipiden) und Proteinen bestehen. Diese spezialisierten Bereiche erfüllen wichtige Aufgaben für die Zelle, wie beispielsweise Signalübertragung, Sortierung oder Transport. Während die Proteine in diesen Domänen gut erforscht sind, bleiben die Verteilung und das Verhalten der Lipide darin noch weitgehend ungeklärt. Da sich Lipide sehr schnell bewegen und es mit den derzeitigen Methoden schwierig ist, einzelne Lipidarten hochauflösend sichtbar zu machen.
Um Lipide zu lokalizieren, verwenden Forschende „bifunktionale Lipidsonden“ – sehr kleine, leicht modifizierte Lipide, die wie molekulare GPS-Marker fungieren. Diese Sonden können in lebende Zellen eingebracht, dann mit Licht „an Ort und Stelle fixiert“ (photo-crosslinking) und später mittels einer chemischen Reaktion (Klickchemie) fluoreszenzmarkiert werden. Auf diese Weise kann man verfolgen, wo sich bestimmte Lipide befinden, ohne die Zelle zu stark zu verändern oder zu stören.
Lichtmikroskopie allein reicht jedoch nicht aus, um kleine Details in der Zellmembran sichtbar zu machen. Mit der Elektronenmikroskopie lassen sich höhere Detailgenauigkeiten erzielen. Die korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) vereint die Stärken beider Techniken. In Verbindung mit bifunktionellen Lipidsonden zeigt Lipid-CLEM, wo sich markierte Lipide befinden, und macht die Feinstruktur der Membranen sichtbar.
Bisherige CLEM-Methoden beschädigten jedoch entweder die Membranstruktur, funktionierten nur an den Außenflächen der Zellen oder konnten einzelne Lipidarten nicht unterscheiden. Um diese Probleme zu lösen, haben Mathilda Lennartz und ein Forschungsteam um André Nadler, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden, sowie um Ori Avinoam am Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, eine neue Methode entwickelt, die sie Lipid-CLEM nennen.
Innovative 3D-Bildgebung von Lipiden
Mathilda Lennartz, mitverantwortliche und Hauptautorin der Studie, erklärt: „Um die Lipidsortierung in frühen Endosomen – einer zentralen Sortierstation im Inneren der Zelle – zu untersuchen, müssen die Zellen schnell eingefroren werden, um die Lipide in ihrer Bewegung zu stoppen und die Membran der Zellen zu erhalten. Später können diese Lipide auf sehr dünnen Schnitten der Probe, sogenannten „Schnitten“, von Zellen mithilfe der Klick-Chemie markiert werden. Diese Schnitte werden dann mit dem Lipid-CLEM-Ansatz abgebildet.“
„Mit Lipid-CLEM haben wir beobachtet, dass ein bestimmtes Lipid, das Sphingomyelin, in kleinen Vesikeln im Inneren des Endosoms häufiger vorkommt und in röhrenförmigen Membranbereichen seltener. Diese Trennung wurde bereits bei einigen Proteinen beobachtet“, sagt Mathilda. Aus dieser Beobachtung schlossen wir, dass zumindest einige Lipide, genau wie Proteine, ebenfalls im Endosom sortiert werden müssen. Interessanterweise kamen in unserer Studie Sphingomyelin und eine Proteinfracht gleichzeitig im frühen Endosom an, trennten sich jedoch in unterschiedliche Domänen auf. Das zeigt, dass die Transportwege von Lipiden und Proteinen während dieser Sortierung auseinanderlaufen können.“
Erfolgreiche Teamarbeit
Das Team von Ori Avinoam am Weizmann-Institut trug mit seinem Fachwissen im Bereich der korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie bei. Ori sagt: „Diese Studie verdeutlicht, wie wichtig Kooperationen sind, um die Forschung voranzubringen. Durch die Bündelung sich ergänzender Fachkenntnisse konnten wir eine Methode entwickeln, die es uns ermöglichte, grundlegende Prinzipien der Lipidsortierung aufzuspüren, die zuvor unzugänglich waren.“
André Nadler, der die Studie betreute, fasst zusammen: Unser Lipid-CLEM-Workflow bietet eine 3D-Visualisierung der Lipiddichte in Membran-Nanodomänen und damit eine neue Möglichkeit, die Lipidorganisation in komplexen zellulären Strukturen zu untersuchen. Endlich können wir die Lipidsortierung in Membranen mit der erforderlichen Auflösung darstellen. Wir glauben, dass Lipid-CLEM uns dabei helfen wird, die Funktionen von Lipiden in Zellen besser zu verstehen, da wir damit sowohl Lipide als auch Proteine gemeinsam im Zusammenhang mit der Organisation und Funktion der Membran untersuchen können. Auch für das Verständnis von Erkrankungen, die mit Membranfunktionsstörungen zusammenhängen, könnte dies von Bedeutung sein.“
Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik
Originalpublikation:
Lennartz, H.M., Khan, S., Leng, W. et al. Visualizing suborganellar lipid distribution using correlative light and electron microscopy. Nat Cell Biol (2026). doi.org/10.1038/s41556-026-01915-x
