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 Live-Verfolgung in der Zelle: Biologische Fussfessel für Proteine
19.06.2018 | Universität Basel

nachricht Tag it EASI - neue Methode zur genauen Proteinbestimmung
19.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

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: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics