Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Keratine machen Zellen steif

29.10.2013
Forschergruppe weist erstmals Funktion einer ganzen Proteingruppe nach

Seit Jahren hatten es Wissenschaftler vermutet, nun haben es Forscher aus Jülich, Leipzig und Aachen erstmals nachgewiesen: Keratine, eine wichtige Gruppe von Strukturproteinen, sorgen dafür, dass Zellen über die nötige Stabilität verfügen.


Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme einer KeratinozyteRasterkraftmikroskopie-Aufnahme einer Keratinozyte: Die Erhebung in der Mitte des Bildes ist der Bereich des Zellkerns, oben und unten im Bild sind Zellausläufer sichtbar. Diese Zellen sind der häufigste Zelltyp der menschlichen Oberhaut. Mit einem Rasterkraftmikroskop können Oberflächen mechanisch abgetastet und atomare Kräfte im Nanometerbereich gemessen werden. Die Jülicher Forscher haben damit solche Aufnahmen gemacht sowie die Steifigkeit von normalen und genmanipulierten Keratinozyten ermittelt.
Quelle: Forschungszentrum Jülich


Immunfluoreszenzmikroskopie-Aufnahmen einer unveränderten Keratinozyte: Bei dieser Form der Lichtmikroskopie können zu untersuchende Strukturen mit hohem Kontrast dargestellt werden. Der dunkle Bereich in der Mitte ist der Zellkern, der von einem hellgrünen Ring von Keratinen umgeben wird. Bei den genveränderten Zellen würde der hellgrüne Bereich fehlen. Der äußere, rote Bereich besteht aus einem Netz des Strukturproteins Aktin.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Dadurch erhält etwa Haut, aber auch Drüsengewebe die erforderliche Festigkeit und Spannkraft. Die Wissenschaftler haben dazu genetisch veränderte Zellen der Oberhaut, sogenannte Keratinozyten, aus Embryonen der Maus gewonnen und untersucht.

Die Ergebnisse sind jetzt in der renommierten Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS) erschienen. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, genetisch bedingte Hautkrankheiten wie Epidermolysis bullosa, auch als Schmetterlingskrankheit bekannt, zu erklären.

Was Zellen stabil macht beziehungsweise gegen mechanische Beanspruchung schützt, ist eine der aktuellen Schlüsselfragen in der Zellbiologie. "Es steht zwar in jedem Lehrbuch, dass Keratine Zellen steif machen, aber eben mit dem Hinweis, dass dies vermutet wird. Bislang gab es nur sehr wenige Messdaten und noch keinen eindeutigen Nachweis", erklärt Prof. Rudolf Merkel vom Institute of Complex Systems am Forschungszentrum Jülich, Co-Autor der Studie. Der Nachweis war bislang schwierig, da Keratin nicht ein einziges Protein ist, sondern eine ganze Proteinfamilie. Dem Team um Prof. Thomas Magin vom Translationszentrum für Regenerative Medizin und dem Institut für Biologie der Universität Leipzig ist es gelungen, Keratinozyten von Maus-Embryonen genetisch so zu verändern, dass keine Keratine darin vorkommen. Normalerweise bestehen bis zu zwei Drittel der Proteinmasse von Keratinozyten aus diesen Strukturproteinen.

Die Jülicher Experten für zelluläre Biomechanik haben die Steifigkeit der genveränderten Zellen mithilfe der Rasterkraftmikroskopie gemessen. Dabei wird mit einer weichen Feder auf die Zelle gedrückt. Die Forscher messen jeweils die Kraft, die benötigt wird, um die Zelle bis zu einer bestimmten Tiefe einzudrücken. Das Ergebnis: Bei den genveränderten Keratinozyten reichten 30 bis 40 Prozent weniger Krafteinsatz, um die gleichen Resultate wie bei unveränderten Zellen zu erzielen. „Daran sieht man, dass die Zelle viel weicher ist und mechanischer Beanspruchung deutlich schlechter widersteht“, erläutert der Jülicher Forscher Dr. Bernd Hoffmann, der zusammen mit Prof. Merkel federführend an der Studie beteiligt ist. Überrascht hat die Wissenschaftler, dass sie die Unterschiede nicht nur bei Zellverbänden, sondern schon auf der Ebene der einzelnen Zelle festgestellt haben. Offensichtlich wirken Keratine schon früher und nicht erst, wenn sich Zellschichten bilden.

Weitere Untersuchungen der Arbeitsgruppe von Prof. Rudolf Leube vom Institut für Molekulare und Zelluläre Anatomie der RWTH Aachen zeigten außerdem, dass die innere Stabilität der genetisch veränderten Zellen deutlich geringer ist. Dazu fügten sie kleine magnetische Kugeln in die Zellen ein und bewegten diese dann mithilfe eines Elektromagneten. Bei unveränderten Keratinozyten rutschte die Kugel wieder in ihre Ausgangsposition zurück, wenn der Magnet ausgeschaltet wurde. Bei den veränderten Zellen blieb die Kugel an der Position, in die sie der Magnet gezogen hatte, und wurde schließlich sogar komplett aus der Zelle gerissen.

Die Ergebnisse sind ein wichtiger Fortschritt für die Forschung. Eine Reihe von Krankheiten beim Menschen hängen mit der Proteingruppe der Keratine zusammen und werden vermutlich durch die schlechtere mechanische Stabilität der Zellen hervorgerufen. Der Nachweis der Funktionalität von Keratinen könnte eine Erklärung liefern. Ein Beispiel ist die genetisch bedingte Hautkrankheit Epidermolysis bullosa, die sogenannte Schmetterlingskrankheit. Dabei führt eine angeborene Mutation in bestimmten Genen schon im Kleinkindalter zu Blasen und Wunden am und im ganzen Körper. Die Krankheit kann zu schweren Behinderungen oder gar zum frühzeitigen Tod führen.

Keratine sind nicht nur bei der Haut, sondern bei allen Trennschichten im Körpergewebe wichtig – beispielsweise auch bei äußeren Schichten von Drüsengeweben, etwa bei der Bauspeicheldrüse. Die äußeren Schichten schützen die inneren, sehr weichen Drüsenzellen. Dabei sind sie mitunter kräftigen mechanischen Beanspruchungen, etwa durch Bewegung oder Stöße, ausgesetzt. Nachdem die Wissenschaftler sich bislang nur einzelne Zellen angeschaut haben, werden sie nun komplette Gewebe untersuchen. Dabei wollen sie herausfinden, welche zusätzlichen oder verstärkten Effekte Keratine auf die Mechanik von Geweben ausüben.

Originalveröffentlichung:

Keratins as the main component for the mechanical integrity of keratinocytes. Lena Ramms Gloria Fabris, Reinhard Windoffer, Nicole Schwarz, Ronald Springer, Chen Zhou, Jaroslav Lazar, Simone Stiefel, Nils Hersch, Uwe Schnakenberg, Thomas M. Magin, Rudolf E. Leube, Rudolf Merkel, and Bernd Hoffmann.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Oktober 2013.

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1313491110

Weitere Informationen:

Institute of Complex Systems, Bereich Biomechanik (ICS-7)
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-7/DE/Home/home_node.html;
jsessionid=4916C617F6B3F1368B645EDB1A83B8BE
Ansprechpartner:
Prof. Rudolf Merkel
Institute of Complex Systems, Bereich Biomechanik (ICS-7)
Tel.: 02461 61-4551
r.merkel@fz-juelich.de
Dr. Bernd Hoffmann
Institute of Complex Systems, Bereich Biomechanik (ICS-7)
Tel.: 02461 61-6734
b.hoffmann@fz-juelich.de
Pressekontakt:
Erhard Zeiss, Pressereferent
Tel. 02461 61-1841
e.zeiss@fz-juelich.de

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie