Strömende Zellproteine bestimmen Vorne und Hinten

Max-Planck-Forscher in Dresden erklären mit einem physikalischen Modell, wie sich in Zellen Polarität herausbildet

Wo ist unten, wo oben, wo vorne, wo hinten? Für einen sich entwickelnden Embryo ist die Orientierung an einer geometrischen Achse lebenswichtig: Nur durch die Ausbildung einer entsprechenden Achse gibt es ein Vorne und Hinten, so dass die Entwicklung eines Organismus mit den entsprechenden Funktionen von Zellen fehlerfrei ablaufen kann. Auch innerhalb einer Zelle muss vorne und hinten festgelegt sein. Dies wird von so genannten PAR-Proteinen gesteuert. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden haben untersucht, welche physikalischen Bedingungen sie an den jeweiligen Zellpol transportieren und welche Kräfte sie dabei aushalten müssen. Ihr Modell ist insofern von Bedeutung, als dieselbe Maschinerie, die die Polarität in Zellen verantwortet, auch die Entwicklung von Geweben wie Haut oder Hirn dirigiert und das Schicksal von Zellen lenkt – ob etwa Stammzellen weiter wachsen oder sich ausdifferenzieren. Fehler in der Polbildung können also schnell fatale Folgen wie Krebs haben.

Stephan Grill, der sowohl am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik als auch dem für Physik komplexer Systeme angesiedelt ist verbindet in seiner Forschung Biologie und Physik. Die biologische Frage, wie ein Embryo seine polare Struktur ausbildet, ging er so mit seinem Projektteam im Fadenwurm C. elegans auch von einem physikalischen Standpunkt aus an: Bekannt war schon, dass die PAR-Proteine zwei Untergruppen bilden, die dann einen jeweiligen Pol der Zelle besetzen und damit das Ansiedeln der anderen Untergruppe verhindern. Wie aber die Sortierung der Proteine und ihr Transport genau ablaufen, war bisher ein Rätsel.

Vorarbeiten hatten gezeigt, dass die PAR-Proteine mit hoher Geschwindigkeit an der inneren Oberfläche der Zellmembran in einer dünnen Schicht aus Aktin-Proteinen des Zellskeletts diffundieren. Diese Schicht, das brachten nun neue Arbeiten ans Licht, ist ein zähflüssiger Strom, der kontinuierlich vom hinteren zum vorderen Pol fließt. Die Sortierung erledigt sich in diesem Strom von ganz alleine: Es reicht, dass die Proteine in der strömenden Schicht mitgeführt werden, einer direkten biochemischen Interaktion zwischen den beiden Proteinsystemen bedarf es damit nicht: „Man muss es sich wie eine Flaschenpost in einem großen Ozean vorstellen – die wird schnell über weite Strecken, oft tausende Kilometer weit, gespült, während sich etwa ein Schluck Wein, aus einer Flasche ins Meer geschüttet, eher träge verteilen und nur recht lokale Auswirkungen haben würde“, erklärt Projektmitarbeiter Nathan Goehring. Der Aktin-Strom scheint so stark zu sein, dass er einen der Protein-Untergruppen trotz ihrer Diffusion wie eine Flaschenpost mitreißt und an den entfernten Pol schwemmt. Sind diese PAR-Proteine aus dem Weg geräumt, ist Platz für die andere Untergruppe, die sich dann in die Zellmembran integrieren kann – eine polare Struktur ist entstanden.

Bleibt die Frage, wie dieses System stabil bleibt – und warum die beiden Domänen, die sich herausbilden, auch nach dem Wegfall des Aktin-Stroms bestehen bleiben. Auch hier gibt ein physikalisches Modell die Antwort: Offenbar geben sich die Protein-Untergruppen gegenseitig Rückkopplungen, was sich schließlich in einem bestimmten räumlichen Mustern ihrer Verteilung auswirkt. Sind die anfangs an der Membran angedockten Unter-Proteine zum vorderen Pol gespült, beginnen die anderen Unter-Proteine im hinteren Bereich, eine Domäne auszubilden. Stabil bleibt diese Struktur deshalb, weil die Anzahl der PAR-Proteine im Embryo begrenzt ist; die beiden Untergruppen beginnen zu interagieren – und halten so das polare Muster aufrecht.

„Unser Modell basiert auf nur wenigen simplen physikalischen Prinzipien und beantwortet trotzdem viele bisher rätselhafte Beobachtungen während der Polarisierung in Embryonen“, sagt Nathan Goehring. Viele Fragen schließen sich nun allerdings an: Wie verankern sich die PAR-Proteine in der Zellmembran? Wie kommunizieren sie genau miteinander? Wie schafft es die Zelle, dass nur eine begrenzte Anzahl von PAR-Proteinen vorkommt?

FF/HR