Wie sich Hautzellen vor Stress schützen

Die Haut ist unser größtes Organ und dient unter anderem dem Schutz vor mechanischen Einflüssen. Um diesen Schutz zu gewährleisten, müssen Hautzellen besonders eng miteinander verbunden sein. Wie genau diese mechanische Stabilität vermittelt wird, war jedoch lange Zeit unklar.

Forscherinnen und Forscher in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Carsten Grashoff des Instituts für Molekulare Zellbiologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und des Max-Planck-Instituts für Biochemie konnten nun gemeinsam mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Stanford Universität (USA) zeigen, wie mechanische Belastungen an speziellen Zell-Haltepunkten, den sogenannten Desmosomen, verarbeitet werden.

Dazu haben sie ein Minimessgerät entwickelt, mit dem Kräfte entlang einzelner Bestandteile in Desmosomen bestimmt werden können. In der in Nature Communications veröffentlichten Studie zeigen sie mit Hilfe der Technik, wie mechanische Kräfte an diesen speziellen Haltepunkten verarbeitet werden.

Zellen in der Haut halten zusammen

Unsere Haut ist das Schutzschild gegen äußere Einflüsse und hat einiges auszuhalten. Sie muss dehnbar sein, darf aber auch bei großer Belastung nicht reißen. Damit diese mechanische Funktion erfüllt werden kann, bilden Hautzellen spezielle Haltepunkte, sogenannte Desmosomen, aus, welche die Adhäsion zwischen Zellen verstärken.

Menschen mit fehlerhaften Desmosomen leiden unter massiven Hautstörungen, die insbesondere nach mechanischer Beanspruchung zu Tage treten. Allerdings war bisher kaum verstanden, wie mechanische Kräfte auf die einzelnen Bestandteile der Desmosomen einwirken. Die internationale Forschergruppe hat eine Methode entwickelt, um die molekularen Kräfte an diesen Haltepunkten zu analysieren.

Miniatur-Federwaage misst Kraft in Desmosomen

„Die Technik funktioniert so ähnlich wie eine Miniatur-Federwaage“, sagt Anna-Lena Cost, Mitarbeiterin am Max-Plack-Institut und eine Erstautorin der Studie. Der Kraftsensor besteht aus zwei fluoreszierenden Farbstoffen, die mit einem Peptid verbunden sind. Das Peptid fungiert dabei als Feder, die schon bei wenigen Piconewton gedehnt wird, was zu einer Veränderung in der Strahlkraft der Farbstoffe führt.

Diese Änderung können die Forscher mit Mikroskopen so gut auslesen, dass mechanische Unterschiede an einzelnen Haltepunkten bestimmt werden können. In ihren Experimenten fanden die Forscher heraus, dass Desmosomen keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, solange keine äußeren Kräfte auf die Zellen einwirken.

Wird jedoch an den Zellen gezogen, so wie es in der Haut vorkommen kann, werden mechanische Belastungen in Desmosomen sichtbar. Diese Belastungen hängen von der Stärke des Stresses und dessen Ausrichtung ab.

„Desmosomen sind sozusagen die Helfer in der Not. Wenn es nur geringe mechanischen Belastungen gibt, können andere Strukturen der Zelle die Last tragen. Aber wenn es zu hohem Stress kommt, dann helfen Desmosomen mit“, fasst Anna-Lena Cost die Ergebnisse zusammen.

Prof. Dr. Carsten Grashoff
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Molekulare Zellbiologie
Tel: +49 251 83-23841
grashoff@uni-muenster.de

Price, J. A.; Cost, A. L.; Ungewiß, H.; Waschke, J.; Dunn, A. R.; Grashoff, C. Mechanical loading of desmosomes depends on the magnitude and orientation of external stress. Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-07523-0.