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 Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

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: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie