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GPS für Zellen: Interpretation des zellulären Ortungssystems

24.01.2011
Neues komplexes Leben kann nur entstehen, wenn die einzelnen Zellen eines Organismus wissen, wie sie sich entwickeln sollen und an welche Stelle sie gehören.

Bei dieser Orientierung hilft ihnen ein Art zelluläres GPS System (Konzentrationsgradienten), welches den Zellen eine eindeutige Information über deren Position und Schicksal übermittelt. Bisher war nicht bewiesen, wie die Zellen diese Positionsinformation auswerten und sich danach richten. Dresdner Forscher konnten nun erstmals im lebenden Organismus eines Zebrafisches beobachten, wie Zellen die Ortungssignale eines bestimmten Signalproteins interpretieren und diese zur Weiterentwicklung nutzen.

Aus einer Handvoll Zellen bilden sich während der Entwicklung eines Organismus verschiedene Gewebe aus denen wiederum ein Embryo entsteht. Für die Entschlüsselung der faszinierenden Abläufe, die während der Entstehung neuen Lebens eine Rolle spielen, interessieren sich Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Welches Gewebe sich aus welcher Zelle bildet und wo genau sich die einzelnen Zellen positionieren müssen, legen Signalmoleküle in Konzentrationsgradienten fest. Die Signale dieses „zellulären GPS Systems“ müssen von den Zellen aber ausgewertet werden, um die Information sinnvoll zu nutzen. Die molekularen Mechanismen hinter dieser Interpretation waren bisher größtenteils unklar. Licht ins Dunkel brachten nun Wissenschaftler vom DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und dem Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden (BIOTEC) mit einer neuen Studie in der Fachzeitschrift Nature Cell Biology. Sie beobachteten in lebenden Zebrafischen, wie Zellen ihre Ausbildung und Anordnung durch Auswertung des Ortungssignales ändern können, ohne das „GPS Signal“ selbst zu verändern.

Im Zentrum des Interesses der Wissenschaftler aus der Forschungsgruppe um den Entwicklungsgenetiker Prof. Michael Brand stand das Signalprotein FGF8. Es hat eine Schlüsselfunktion bei der Entwicklung von Wirbeltieren, und spielt bei der frühen Ausbildung von Gehirn, Herz und Gliedmaßen eine bedeutende Rolle - ohne FGF8 kommt es während der Entwicklung zu starken Fehlbildungen. Unter anderem mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie (FCS) – einer hochempfindlichen quantitativen Messmethode – konnten die Wissenschaftler in ihrer Studie zeigen, dass die Aufnahme zellfremder Stoffe in die Zelle (Endocytose) für das korrekte Auslesen von FGF8 Signalen verantwortlich ist. Hierzu wurden im lebenden, sich entwickelnden Organismus sowohl das Signal als auch die Aufnahme des Signals in die Zelle und dessen Interpretation in der Zelle gemessen. „Das wirklich überraschende Ergebnis hierbei war, dass die Art und Weise wie die Zellen mit dem aufgenommen Signal umgehen auch die nachfolgende Reaktion der Zellen auf das Signal beeinflusst. Während das Signal außerhalb der Zelle gleich bleibt, ändert sich je nachdem wie das aufgenommene Signal behandelt wird auch das Verhalten der Zellen – so als ob ein GPS-Empfänger, in dem Fall die Zelle, umprogrammiert wird“, so Dr. Matthias Nowak, Mitarbeiter im Labor von Prof. Brand. In einer früheren Studie konnten die Wissenschaftler zeigen, dass auch die Zellen selbst an der Ausbildung der korrekten Signale beteiligt sind. Die Basis hierfür ist ebenfalls die Endocytose, die es den Zellen erlaubt die Signalstoffe aufzunehmen und somit deren Reichweite zu begrenzen. „Auf diese Weise nutzen die Zellen in faszinierender Weise eine einzige Funktion, nämlich die Aufnahme des Signalstoffes, für zwei völlig unterschiedliche Zwecke: Zum einen für die Ausbildung eines lesbaren Signals und zum anderen für das Auslesen des Signals“, so Nowak. Die Entdeckung dieser doppelten Funktion von Endocytose in der Entwicklung von Lebewesen ist ein neues Konzept. Die Ergebnisse der Studie werden endscheidend dazu beitragen, die Entstehung von Organen beziehungsweise ganzen Organismen aus einzelnen Zellen zu verstehen und stellen damit einen weiteren Schritt zur Aufklärung der faszinierenden grundlegenden Prozesse des Lebens dar.

In zukünftigen Studien möchte Prof. Brand weiter erforschen wie sich Signale zwischen Zellen fortbewegen, wie die Zellen diese Signale beeinflussen und wie diese dann zu einem bestimmten Verhalten von Zellen führen. Dieses Wissen ist nicht nur für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung, sondern auch für eine mögliche künftige Anwendung solcher hochwirksamen Signalmoleküle für regenerative Therapien, wie zum Beispiel der künstlichen Herstellung von Spenderorganen.

Matthias Nowak, Anja Machate, Shuizi Rachel Yu, Mansi Gupta & Michael Brand „Interpretation of the FGF8 morphogen gradient is regulated by endocytic trafficking”. Nature Cell Biology. Advance Online Publication: 23.Januar 2011 | DOI: 10.1038/ncb2155

Kontakt für Journalisten:
Katrin Boes, Pressesprecherin CRTD / BIOTEC
Tel.: 0351 463 40347, E-Mail: katrin.boes(at)crt-dresden.de
Prof. Dr. Michael Brand
Tel.: 0351 463 40345, E-Mail: michael.brand(at)crt-dresden.de

Katrin Boes | idw
Weitere Informationen:
http://www.crt-dresden.de
http://www.biotec.tu-dresden.de

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