Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit voller Kraft auf Erregerjagd

22.03.2017

HZI-Forscher haben Mechanismus aufgeklärt, wie Zellen mithilfe von Proteinfilamenten Kraft erzeugen und sich effektiv bewegen

Die Zellen des menschlichen Körpers besitzen in ihrem Inneren ein flexibles Gerüst, das Zytoskelett, welches unter anderem aus Aktinfilamenten besteht und sich in stetigem Auf- und Abbau befindet. So können sich Zellen verformen oder bewegen.


Melanomzelle bei der Wanderung, deren Bewegung nach oben links durch Formin-Proteine (grün) unterstützt wird.

HZI / Frieda Kage

Diese Fähigkeit ist zum Beispiel für die Embryonalentwicklung, die Wundheilung und ein funktionierendes Immunsystem wichtig. Dabei müssen Zellen Energie und Kraft aufwenden, um sich durch Gewebe zu bewegen. Beispielsweise dringen Immunzellen in alle Bereiche unseres Körpers vor, um Krankheitserreger zu finden und zu bekämpfen. Umgekehrt können auch manche Erreger das Zytoskelett missbrauchen, um in Zellen einzudringen.

Forscher des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und der Technischen Universität Braunschweig haben nun die molekularen Grundlagen dafür aufgeklärt, wie Zellen sich effektiv vorwärtsbewegen können durch die Ausbildung von schubkräftigen Ausstülpungen der Zellmembran.

Die Forscher konnten mit der CRISPR/Cas-Technologie erstmals die genaue Funktion einer speziellen Proteinfamilie, der Formine, bei der Ausbildung dicht verzweigter Aktinnetzwerke bestimmen. Die Braunschweiger Wissenschaftler kooperierten dabei eng mit der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) und der Universität Leipzig. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie nun im renommierten Fachjournal Nature Communications.

„Wenn sich Zellen durch Gewebe des Körpers bewegen, bilden sie dazu verschiedene Ausstülpungen an ihrer Vorderseite aus: segelartige Lamellipodien, fingerförmige Filopodien, aber auch bläschenartige Ausstülpungen“, sagt Klemens Rottner, Leiter der HZI-Arbeitsgruppe „Molekulare Zellbiologie“ und Professor am Institut für Zoologie der Technischen Universität Braunschweig. Das Zytoskelett der Zellen spielt dabei eine entscheidende Rolle. Es ist allerdings im Gegensatz zum Knochenskelett kein starres Stützsystem, sondern ein dynamisches Geflecht.

Um ihre Form zu verändern oder sich auszubreiten, brauchen Zellen spezielle Mikrofilamente winzige, nur nanometerdicke Fasern aus dem Strukturprotein Aktin. Durch das Zusammenspiel der Aktinfilamente mit speziellen Myosin-Proteinen wird Zellbewegung möglich. „Die Aktin-Myosin-Filamente sind gewissermaßen die Muskeln der Zelle“, sagt Rottner.

Im Detail betrachtet besteht ein Lamellipodium aus quervernetzten und parallel ausgerichteten Bündeln von Aktinfilamenten, die von einer dünnen Zellmembran umschlossen sind. Diese Aktinfilamente sind am Vordersaum der Ausstülpung in der Zellmembran verankert und schieben sie durch den stetigen Anbau von Aktinbausteinen vorwärts, während sie an ihrer Rückseite fortwährend abgebaut werden. Durch diesen kontinuierlichen Umbau von Aktinfilamenten bewegt sich die Zelle vorwärts.

Bisher war bekannt, dass ein bestimmter Proteinkomplex für den Aufbau des Aktinnetzwerks in den Lamellipodien verantwortlich ist – der sogenannte Arp2/3-Komplex. Die Forscher konnten nun eine weitere wichtige Komponente nachweisen: An den schnell wachsenden Enden der Aktinfilamente binden Proteine aus der Familie der Formine. „Die Rolle dieser Proteine in Lamellipodien war bislang nicht klar.

Man dachte, sie würden lediglich die Geschwindigkeit steuern, mit der Bausteine an die Filamente des Netzwerks angebaut werden“, sagt Rottner. Jedoch fanden die Autoren der Studie heraus, dass diese Proteine vor allem die Filamentdichte und die Stabilität des Aktinnetzwerks regulieren. Anders als der Arp2/3-Komplex scheinen diese Formine zudem das wachsende Aktinfilament mit der Zellmembran zu verbinden, wodurch die entstehende Kraft direkt auf die Membran übertragen werden kann und somit eine effiziente Vorwärtsbewegung der Zelle gewährleistet wird.

Für seine Untersuchungen hat das Forscherteam mittels CRISPR/Cas-Technologie Formine sowohl in Tumor- als auch in Bindegewebszellen von Mäusen ausgeschaltet. „Diese moderne molekularbiologische Methode erlaubte uns, effizient und kostengünstig die Bildung zweier funktionsverwandter Formine gleichzeitig und vollständig auszuschalten“, sagt Frieda Kage, Erstautorin der Studie und Wissenschaftlerin im Team von Rottner.

„So konnten wir beweisen, dass diese Formine nicht essenziell für die Ausbildung der Lamellipodien selbst sind, denn durch den Arp2/3-Komplex wird das Aktinnetzwerk trotzdem gebildet“, ergänzt die Nachwuchswissenschaftlerin. „Allerdings war das Netzwerk viel weicher, weil sowohl die Dichte als auch die räumliche Anordnung der Filamente verändert waren.“

Klemens Rottner fasst zusammen: „Nur in der Kombination des Arp2/3-Proteinkomplexes mit Forminen können die Zellen stabile, dicht verzweigte Aktinnetzwerke ausbilden. Wenn die Formine fehlen, werden die Zellen in ihrer Beweglichkeit sehr geschwächt, weil sie sich durch das zu weiche Aktinnetzwerk nicht effizient vorwärtsschieben können.“

Die im Bereich von Nano-Newtonliegenden Vorschubkräfte der Zellen mit und ohne Formine konnten von den Forschern direkt gemessen werden. Dazu nutzten sie ein AFM-Rasterkraftmikroskop in Kooperation mit Prof. Josef Käs vom Institut für Experimentelle Physik I der Universität Leipzig. „In den Zellen, denen Formine fehlten, konnten wir eine Reduktion der Vorschubkräfte um 75 Prozent messen“, sagt Rottner. „Diese drastisch reduzierte Kraftentwicklung erklärt, warum Zellen ohne diese Formine nur sehr langsam migrieren“, ergänzt Kage.

Interessanterweise sind diese Formine mit bestimmten Krebsarten wie Karzinomen und Melanomen eng assoziiert: Große Forminmengen gehen bei Patienten häufig mit aggressiver Metastasenbildung und der Invasion der Krebszellen in andere Gewebe einher. Die Daten der neuen Studie erklären mechanistisch, warum sich diese Zellen besser bewegen.

„Da vor allem auch Immunzellen Kräfte aufwenden müssen, um zu Krankheitserregern zu gelangen, spielt für uns die Erforschung solcher Bewegungsprozesse eine entscheidende Rolle bei der Abwehr von Infektionskrankheiten. Wir müssen diese Prozesse genau verstehen, um mögliche neue Ansatzpunkte für Therapien zu finden“, sagt Klemens Rottner. „Zudem nutzen viele Bakterien und Viren die Polymerisationskräfte von Aktinfilamenten, entweder um in Zellen einzudringen, sich in diesen zu bewegen, oder auch, um noch nicht betroffene Nachbarzellen zu infizieren.“

Die Ergebnisse der aktuellen Studie dienen als Ausgangsbasis für Versuche mit verschiedensten Krankheitserregern wie Salmonellen, Shigellen und Listerien, da diese Erreger dafür bekannt sind, sich der durch das Aktinzytoskelett erzeugten Kräfte der Wirtszelle zu bedienen. Die hier untersuchten Formine gezielt in einer frühen Phase des Kontakts von Erreger und Wirtszelle zu beeinflussen, könnte einen aussichtsreichen Ansatz darstellen, um Infektionsprozesse zu unterbinden, hoffen die Wissenschaftler.

Originalpublikation:
Kage, F. et al.: FMNL formins boost lamellipodial force generation. Nature Communications 2017; DOI: 10.1038/ncomms14832
http://www.nature.com/articles/ncomms14832

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern. www.helmholtz-hzi.de

Sie finden diese Pressemitteilung und Pressefotos auf der HZI-Webseite unter folgendem Link https://www.helmholtz-hzi.de/de/aktuelles/news/ansicht/article/complete/mit_voll...

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/articles/ncomms14832 - Link zur Publikation
https://www.helmholtz-hzi.de/de/aktuelles/news/ansicht/article/complete/mit_voll... - Link zur Pressemitteilung

Susanne Thiele | Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte