Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Richtig in Form – Wie sich Zellen formen und wie sie sich bewegen

Autoren
Paluch, Ewa
Abteilungen
Actin cortex mechanics and cell shape (Paluch Lab)
Zusammenfassung
Die Form von Zellen wird grundlegend durch die mechanischen Eigenschaften der Zelle selbst und durch die physikalischen Wechselwirkungen der Zelle mit ihrer Umgebung bestimmt. Deshalb bringen biophysikalische Ansätze neue Erkenntnisse zu der Frage, wie Zellen ihre Form regulieren. Biologen, Bioinformatiker und Physiker untersuchen, wie  die mechanischen Eigenschaften der Zelle auf molekularer Ebene gesteuert werden und wie sich diese Eigenschaften auf die Formgebung der Zelle auswirken.

Die Form von tierischen Zellen wird zu einem großen Teil über den Aktinkortex gesteuert. Dieses Netzwerk aus fadenförmigen Aktinfilamenten, Myosin und weiteren Proteinen liegt direkt unter der Zellhülle. Der Kortex ermöglicht es der Zelle, auch bei Krafteinwirkungen von außen stabil zu bleiben und mechanische Arbeit zu leisten. Demnach spielt er eine wichtige Rolle bei Zellverformungen, etwa wenn sich die Zelle teilt oder vorwärts bewegt, aber auch bei der Physiologie von bestimmten Krankheitsbildern wie etwa Krebs: hier ist die Kontraktionsfähigkeit der Zelle oft gestört. Obwohl der Zellkortex also in fundamentale Prozesse involviert ist, ist erstaunlicherweise über die genaue Zusammensetzung des Netzwerkes sowie darüber, wie es sich anordnet, reguliert und welche mechanischen Kräfte es wie einsetzt, bisher sehr wenig bekannt. Die Arbeitsgruppe von Ewa Paluch widmet sich genau diesen Fragen und hat dazu eine Reihe von neuen Methoden entwickelt, um dynamische Wachstumsprozesse besser zu erforschen, um die Zusammensetzung und Organisation des Netzwerkes im Nanometerbereich zu untersuchen und um die mechanischen Kräfte im Kortex direkt zu messen.

Gesteuerte Veränderungen der mechanischen Prinzipien in einer Zelle führen zu Verformungen der Zelle. Die Forscher um Ewa Paluch arbeiten daran, besser zu verstehen, wie die physikalischen Eigenschaften des Zellkortex die Formgebung einer Zelle bei Zellteilung und Zellbewegung steuern. Ein besonderes Augenmerk werfen sie dabei auf so genannte Blebs, kleine ausgestülpte Bläschen, die dadurch entstehen, dass sich das Aktin-Netzwerk zusammenzieht und so einen hydrostatischen Druck in der Zelle aufbaut. Erstmals konnte beschrieben werden, welche mechanischen Kräfte dazu führen, dass sich diese Blebs in rundgeformten Zellen ausweiten können, und wie das Zusammenspiel mit Lamellipodien – flachen, breiten Zellfortsätzen – funktioniert, das die Fortbewegung von Zellen ermöglicht. Schließlich konnte die Dresdner Arbeitsgruppe erklären, dass sich der Kortex zusammenzieht und so während einer Zellteilung die Form der Zelle instabil macht. Außerdem, so konnte sie zeigen, muss der Zellkortex aktiv von der Zelle gesteuert werden, um eine symmetrische Zellteilung zu erreichen.

Im Verbund: Komponenten und Architektur des Zellkortex

Als Ewa Paluch ihre Arbeit vor sechs Jahren am MPI-CBG begann, waren die meisten Gesichtspunkte der Zusammensetzung des Zellkortex überhaupt nicht erforscht – auch weil dazu keine geeigneten Modellorganismen zur Verfügung standen. Gemeinsam mit Guillaume Charras (University College London) und Philippe Roux (Institut de recherche en immunologie et en cancérologie, Montreal), mit denen sich Ewa Paluch einen HFSP Young Investigator Grant teilte, erarbeitete sie neue Methoden, um die quantitative Verteilung der Bestandteile des Zellkortex während seiner Entstehung zu messen. Dazu nutzten sie Blebs, Ausstülpungen der Zellmembran, die durch das Zusammenziehen des Zellkortex im Inneren der Zelle – direkt unterhalb der Membran – entstehen. Diese Blebs beinhalten anfangs keinerlei fadenförmiges Aktin, bauen aber einen Kortex auf, bevor sie sich wieder einstülpen. Insofern sind sie ideal, um die Entstehung eines Kortex von Grund auf zu untersuchen. Die Arbeitsgruppe von Paluch hat dazu eine Technik entwickelt, mit der man die Formation von Blebs anregen und die Zusammensetzung des sich neu bildenden Zellkortex an der Oberfläche von Blebs quantitativ analysieren kann. Zudem ist es ihnen gelungen, Blebs von Zellen abzulösen und separat biochemisch zu untersuchen – das gab weitere Hinweise auf die möglichen Regulatoren. Zusätzliche Analysen mit Hilfe von Massenspektrometrie haben schließlich den Schluss nahegelegt, dass der Kortex ein Verbund aus zwei ineinandergreifenden, aber dennoch unabhängig funktionierenden Aktin-Netzwerken ist. Veränderungen der kleinsten Bestandteile führt zu einer Veränderung der gesamten Organisation des Kortex und seiner physikalischen Eigenschaften.

Schließlich warfen die Forscher auch noch einen Blick auf die Architektur des Zellkortex: Wie ist das Ganze räumlich angeordnet? Darüber war bisher auch nichts bekannt – kein Wunder, denn der Zellkortex ist weniger als 300 Nanometer dick und damit gerade an der Grenze dessen, was man in der gängigen Lichtmikroskopie sichtbar machen kann. Das Team um Ewa Paluch entwickelte neue Messmethoden und kann nun die Dicke des Kortex auf 30 bis 40 Nanometer genau bestimmen – sie haben sich dabei an dem Abstand zwischen der Plasmamembran und den Aktinfilamenten orientiert. In der Zukunft soll nun erforscht werden, wie diese Dicke genau reguliert wird.

Bläschen und Fortsätze: Wie Zellen wandern

Bewegt sich eine Zelle im Raum fort, nutzt sie manchmal Zellfortsätze, die aus der Plasmamembran wachsen – sogenannte Lamellipodien. Manchmal ist eine Alternative dazu aber die Fortbewegung über Blebs – etwa während der Embryonalentwicklung. Auch Krebszellen nutzen gerne diese Art der Fortbewegung. Was sind die Faktoren, die eine Zelle die eine oder andere Fortbewegungsart wählen lässt? Bisher war das vollkommen unklar. Die Forschungsgruppe von Ewa Paluch hat sich mit mehreren Projekten darangemacht, erste Antworten zu finden.

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Abb. 1: Krebszellen in Kultur, bei denen das Strukturprotein Aktin mithilfe eines Aktin-bindenden, fluoreszierenden Peptids sichtbar gemacht wurde. Die Zellen formen entweder Blebs (türkis) oder Lamellipodien (gelb).

In lebenden, sich entwickelnden Zebrafisch-Embryonen beobachten die Forscher in einer Zusammenarbeit mit Carl-Philipp Heisenberg (Institute of Science and Technology Austria) die Fortbewegung von Zellen. Zellen im mittleren und inneren Keimblatt des Embryos nutzen eine Kombination aus Blebs, Lamellipodien und Filopodien (fadenförmige Ausstülpungen) während der Gastrulation – wenn sich das Gewebe einstülpt, also extrem bewegt. Das macht sie zu einem geeigneten Studienobjekt, will man die verschiedenen Grundlagen von Zellfortbewegung untersuchen. Die Forscher haben das System manipuliert und die Anteile der Fortbewegungsarten verändert: Erhöht man etwa den Anteil an Blebs, so verlangsamt man die Fortbewegung der Zelle deutlich, auch ist die Bewegung weniger zielgerichtet. Verändert man das Verhältnis von Lamellipodien zu Blebs, beeinflusst das ebenfalls die Geradlinigkeit der Bewegung. Wie es scheint, ist die Fortbewegungsstrategie von Vorläuferzellen in diesem Gewebe eine Kombination aus Herumtaumeln und schnellem, geradlinigem Vorwärtsbewegen: Die Lamellipodien sind für die Sprintpassagen verantwortlich, die Blebs steuern das Taumeln. Die Kombination ergibt eine optimierte Strategie für eine recht präzisierte Bewegung, deren Ziel im Falle der Embryonalentwicklung eines Zebrafisches ja immerhin ein bewegliches Ziel ist, nämlich die verteilte Konzentration eines bestimmten chemischen Stoffes.

Ein weiteres Projekt untersucht die beiden alternativen Fortbewegungsarten (Blebs oder Lamellipodien) in Krebszellen. Je nach Kulturverfahren kann man die Zellen dazu bringen, die eine oder andere Variante zu wählen. Die mechanischen und vor allem auch molekularen Bedingungen der beiden Varianten lassen sich so im direkten Vergleich untersuchen. Weitergehende Projekte sind geplant, die den Kontakt der Zelle mit ihrem Untergrund während einer Blebs-gesteuerten Bewegung genauer in den Blick nehmen sollen.

Und PLOP! entsteht ein Bleb!

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Abb. 2: Das Bild zeigt die Prächordalplatte eines Zebrafischembryos – die Region, wo später die Mundöffnung entsteht. Zu sehen sind die Zellmembranen (grün) und das Aktingerüst der Zellen (rot). An der Kante sind deutlich Blebs erkennbar.

Blebs, die kleinen Bläschen, die sich aus der Zellmembran stülpen, spielen – wie oben gezeigt – eine wichtige Rolle bei der Zellteilung und bei der Fortbewegung von Zellen; dennoch weiß man quasi nichts über die mechanischen Kräfte, die bei ihrer Entstehung wirken. Das Dresdner Team hat diese Kräfte in direktem Zusammenhang mit den Kräften im Zellkortex unter die Lupe genommen. Indem sie die Zelloberfläche mit Laser beschießen, können Forscher im Labor die Bildung von Blebs provozieren und gleichzeitig dabei auch die Anspannung des Zellkortex messen. Es zeigte sich: Die Ausbildung von Blebs wird ganz direkt durch den Druck ausgelöst, den das Aktin-Netzwerk im Inneren der Zelle aufbaut – und der sich mit Bildung der Blebs auch sofort deutlich verringert. Die Forscher können nun Aussagen zum Verhältnis von Druckkraft des Kortex und Größe der Blebs machen: Eine impulsgebende Anspannung ist nötig, um ein Bleb herauszuformen, erhöht oder verringert man den Druck, kann man in sich fortbewegenden Zellen die Herausbildung von Blebs anregen oder unterdrücken. Gerade ist es den Forschern schließlich auch gelungen, die mechanischen Faktoren zu identifizieren, die für die Geschwindigkeit der Bildung von Blebs verantwortlich sind – die Ergebnisse wollen sie demnächst veröffentlichen.

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