Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Reise durch den extrazellulären Raum

10.09.2009
Die enorme Bedeutung von extrazellulären Signalproteinen für Zellinteraktionen ist unter Biologen schon lange bekannt.

Besonders wichtig sind sogenannte Morphogene - Signalproteine, die in Gradienten verteilt im Gewebe vorliegen und den Zellen Informationen über ihre Position innerhalb eines Gewebes vermitteln und ihnen so zeigen, wie sie sich entwickeln sollen.

Wie sich jedoch solche Gradienten von Signalmolekülen ausbilden und wie sie aufrechterhalten werden, war bisher ungeklärt. Dresdner Forscher haben entdeckt, dass sich die Gradienten durch einen einfachen 'source-sink' Mechanismus bilden und die Signalmoleküle sich dabei frei durch den extrazellulären Raum bewegen.

Ohne sie würden sich während der embryonalen Entwicklung keine Organe richtig ausbilden oder Zellen an die richtige Position wandern: Konzentrationsgradienten von Signalmolekülen, die bestimmte zelluläre Antworten abhängig von ihrer Konzentration hervorrufen können (Morphogene), sind für die Entwicklung eines Organismus essentiell. Diese Gradienten informieren Zellen bei der Bildung von komplexen Geweben und Organen über ihre Position im Gewebe oder in welche Art von Zelle sie sich entwickeln sollen. Bei charakteristischen Schwellenwerten in der Konzentration eines Morphogens werden in einer Zielzelle dann unterschiedliche Gruppen von Genen aktiviert.

Daher ist das Verständnis über die Ausbildung und Erhaltung der morphogenen Konzentrationsgradienten grundlegend, um die Entwicklung eines Organismus zu verstehen. Einen wichtigen Beitrag dazu haben Wissenschaftler vom DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und dem Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden (BIOTEC) mit ihrer Studie in der Fachzeitschrift Nature geleistet. Mit einem überraschend einfachen 'source-sink' Mechanismus bilden sich die Gradienten im Gewebe aus. Frei diffundierende Signalmoleküle wandern von einer lokalisierten Quelle (source) aus durch den Raum zwischen den Zellen (extrazellulärer Raum) zum Zielgewebe und werden dort in die Zellen aufgenommen (sink). Dadurch nimmt die Konzentration der Moleküle ab und ein Gradient bildet sich.

Im Fokus der Wissenschaftler aus den Forschungsgruppen um den Entwicklungsgenetiker Prof. Michael Brand und die Biophysikerin Prof. Petra Schwille stand das Morphogen FGF8. Es hat eine Schlüsselfunktion bei der Entwicklung von Wirbeltieren, und spielt bei der frühen Ausbildung von Gehirn, Herz und Gliedmaßen eine bedeutende Rolle: Zugabe des FGF8 Proteins kann beispielsweise die komplexen Vorgänge zur Bildung von vollständigen Gliedmaßen auslösen. Wie aber kann es den hierzu notwendigen Gradienten ausbilden? Die Forscher konnten erstmals die Bewegung und Konzentration des Signalmoleküls FGF8 im lebenden, sich entwickelnden Organismus verfolgen, mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie (FCS) - einer hochempfindlichen Messmethode, die aus Veränderungen in der Fluoreszenzintensität Informationen gewinnt.

Die Methode der Biophysiker befähigte die Entwicklungsbiologen um Prof. Brand, die Ausbildung und den Erhalt von morphogenen Konzentrationsgradienten erstmals in lebendem Gewebe quantitativ nachzuweisen. So konnten die Forscher beobachten, dass sich FGF8 im Gewebe nicht gerichtet und aktiv ausbreitet, sondern frei diffundiert. Prof. Brand: "Seit Jahrzehnten wurde vermutet, dass ein Diffusionsmechanismus der Bildung von Gradienten zugrunde liegen könnte - und es gab viele berechtigte Zweifel ob dies möglich sei - und wir können dies nun erstmals direkt beobachten. Dies ist ein eleganter Mechanismus für Signalmoleküle, um durch den extrazellulären Raum zu reisen und so schnell ihre Zielzellen zu erreichen.". Um zu kontrollieren, ob sich der Gradient in der Tat durch den eleganten 'source-sink' Mechanismus ausbildet, änderten die Forscher die Aufnahmefähigkeit der Zellen im Zielgewebe. So wurden mehr FGF8 Moleküle durch Oberflächenrezeptoren in die Zelle transportiert und der Konzentrationsgradient wurde steiler.

"Dieser relativ simple Mechanismus zeigt zum einen, dass FCS eine wichtige Methode ist, um quantitative Daten zu Konzentrationsgradienten in lebendem Gewebe zu liefern", so Shuizi Rachel Yu, Doktorandin bei Prof. Brand. "Zum anderen liefert das Wissen dieser wichtigen Parameter eine quantitative Basis für experimentelle und theoretische Studien zu Konzentrationsgradienten". Moleküle wie FGF8 und ihre Gradienten sind von grundlegender Bedeutung bei Gewebebildung und Regeneration von Geweben, auch beim Menschen. Die neue Studie eröffnet die Möglichkeit, diese Gradienten genau zu erfassen. Dieses Wissen ist nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für eine mögliche künftige Anwendung solcher hochwirksamen Signalmoleküle für regenerative Therapien von großer Bedeutung.

Shuizi Rachel Yu, Markus Burckhardt, Matthias Nowak, Jonas Ries, Zden?k Petràšek, Steffen Scholpp, Petra Schwille & Michael Brand "FGF8 morphogen gradient forms by a source-sink mechanism with freely-diffusing molecules. Nature. Advanced online Publication: 09.September 2009 | doi: 10.1038/nature08391

Kontakt für Journalisten:
Katrin Bergmann, Pressesprecherin CRTD
Tel.: 0351 463 40347, E-Mail: katrin.bergmann@crt-dresden.de
Prof. Dr. Michael Brand
Professor für Entwicklungsgenetik; Direktor des CRTD und BIOTEC der TU Dresden
Tel.: 0351 463 40345, E-Mail: michael.brand@biotec.tu-dresden.de
Prof. Dr. Petra Schwille,
Professorin für Biophysik am BIOTEC der TU Dresden
Tel.: 0351 463 40329, E-Mail: petra.schwille@biotec.tu-dresden.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

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: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Hochvolt-Lösungen für die nächste Fahrzeuggeneration!

25.09.2017 | Seminare Workshops

Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

25.09.2017 | Seminare Workshops