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'Biomechanischer Schalter' reguliert die Art des Zusammenhalts und der Kommunikation zwischen Zellen

22.03.2000 - (idw) Weizmann Institut

Wissenschaftler des Weizmann Instituts schlagen ein Modell zur Regulierung der Zelladhaesion vor - die fuer die Embryonalentwicklung, die Bewegung von Zellen und Zellkommunikation zentrale Bedeutung hat.


Das Umschalten der Zelladhaesion 'Harte Zeiten,' oder besser gesagt, eine inelastische Umgebung, erhoeht die Neigung von Zellen zur Bildung enger Verbindungen und zur Kommunikation - dies ergibt eine neue Studie des Weizmann Instituts, die in der Maerz-Ausgabe der Zeitschrift Nature Cell Biology veroeffentlicht wird. Die Ergebnisse zeigen einen neuen Parameter bei der Regulierung der Zellhaftung, naemlich die physikalischen Eigenschaften der unmittelbaren Umgebung.

Die Zelladhaesion, d.h. der Mechanismus, mit dessen Hilfe sich Zellen an angrenzende Zellen und an die extrazellulaere Matrix zwischen den Zellen binden, ist bei der Bildung von Geweben und Organen sowie bei der Zellbewegung und dem Informationsaustausch zwischen den Zellen - dem so genannten signaling - von wesentlicher Bedeutung. Gestoerte Adhaesion kann zum Ausbruch von Krankheiten, beispielsweise Krebs, fuehren.

Wenn man Zellen von der umgebenden Matrix losloest sind, sterben sie gewoehnlich innerhalb kurzer Zeit - ein Prozess, der Anoikis genannt wird und griechisch Obdachlosigkeit bedeutet. Zellen bewegen sich und spueren dabei ihre Umgebung, bis sie ihren spezifischen Ort finden, wo sie sich niederlassen, vermehren und entwickeln. Dennoch ist die Dynamik dieses Mechanismus ungeklaert. Aufgrund welcher Informationen innerhalb einer Zelle werden Adhaesionseigenschaften modifiziert, was veranlasst die Zelle, ihren Ort zu aendern, Verbindungen einzugehen oder abzubrechen?

Diese Fragen beschaeftigten das Weizmann Team unter der Leitung von Prof.
Benjamin Geiger von der Abteilung Molekulare Zellbiologie. Zur Forschungsgruppe gehoerten der Doktorand Eli Zamir und die Professoren Zvi Kam und Alexander Bershadsky von der Abteilung Molekulare Zellbiologie, sowie Kenneth Yamanda von den National Institutes of Health (NIH) und Ben-Zion Katz vom Tel Aviv Medical Center.

Fruehere Studien dieser Gruppe hatten gezeigt, dass die Zelladhaesionskomplexe eine ausserordentliche strukturelle und molekulare Vielfalt aufweisen. Sie stellten fest, dass es zwei Haupttypen des Adhaesionskomplexes gibt: 'focal contacts', die vor allem an der Zellperipherie angesiedelt sind, feste Verbindungen bilden und eine wichtige Rolle bei der zellulaeren Signalvermitttlung spielen, und 'fibrillar adhesions', die verstreute Verbindungen schaffen und vor allem um das Zentrum der Zelle gefunden werden.

Zellbotschaften von mobilen Andhaesionskomplexen?

Es klingt paradox, doch Zelladhaesionskomplexe sind nach den Ergebnissen der Weizmann-Studie tatsaechlich mobil, und diese Eigenschaft wird gemeinsam von der Steifigkeit der Umgebung und der Kontraktionsfaehigkeit der Zelle bestimmt. Mit Hilfe digitaler Mikroskopie in Kombination mit in lebenden Zellen exprimierten, fluoreszierenden Proteinen, konnte das Team 'Filmaufnahmen' machen, die die Mobilitaet und das Schicksal von Zelladhaesionskomplexen unter verschiedenen Versuchsbedingungen 'einfingen'.

Wie sich herausstellte, entstehen sowohl 'fibrillar adhesions' als auch 'focal contacts' in der Naehe der Zellperipherie, bevor sie sich trennen. Waehrend 'focal contacts' normalerweise am Ort ihrer Entstehung verbleiben, werden 'fibrillar adhesions' staendig durch ein Foerderband - das kontraktionsfaehige Mikrofilament-System der Zelle - zum Zellzentrum transportiert.

Ueberraschenderweise fanden die Forscher, dass neben der chemischen Beschaffenheit der Umgebung auch die physikalischen Eigenschaften Einfluss auf die 'Demographie' der Adhaesion haben. Die Steifigkeit der umgebenden Matrix, das konnte nachgewiesen werden, diente als 'mechanischer Schalter', der die Dynamik der Zelladhaesion beeinflusste. Focal contacts entwickeln sich durch Interaktion mit einer rigiden Matrix und verbleiben ueberwiegend immobil, waehrend die Interaktion mit einer flexiblen Matrix zur Bildung von fibrilar adhesions fuehrt, die dann zusammen mit ihren begleitenden Proteinen in Richtung Zellmitte abtransportiert werden.

'Zellen weisen ein mit dem Tastsinn vergleichbares Sensorsystem auf, das sie ueber die Veraenderungen ihrer Umgebung informiert', sagt Geiger. 'Waehrend man bisher annahm, dass Zelladhaesion primaer durch die Art der Molekuele beeinflusst wird, die der Zelle begegnen, stellt sich nun heraus, dass die pysikalischen Ausloeser ebenfalls die Adhaesion und die Entscheidung der Zelle, sich in einer bestimmten ´Gegend` anzusiedeln bzw. sich zu loesen und weiter zu wandern, beeinflusst.' Sich in ihren physikalischen Eigenschaften veraendernde Umgebungen schalten ausserdem Kommunikationsleitungen zwischen Zellen an, wie die Studie ebenfalls nahelegt. Fruehere Forschungsarbeiten von Bershadsky und anderen hatten gezeigt, dass eine unter hoher Spannung stehende Umgebung zu erhoehtem Signalaustausch fuehrt: Sie loest eine Signalkaskade aus, die sich wasserfallartig von der Zellperipherie zum Befehlszentrum, dem Zellkern, ausbreitet. Diese Sichtweise passt auch zu der kuerzlich gemachten Entdeckung, dass steife, spannungsreiche Umgebungen zur Bildung von focal contacts fuehren, die sich durch verstaerkte Phosphorylierung auszeichnen - einem wesentlichen Element der Zellkommunikation und Signaluebertragung.

Der Abdruck eines Farbbildes, das die Dynamik der Zelladhaesion deutlich

macht, ist auf Anfrage erhaeltlich.
Das Bild ist auch hinterlegt unter: HYPERLINK
http://wiswander.weizmann.ac.il/weizmann/doa_iis.dll/Serve/level/English/1.200.html

Diese Studie wurde gefoerdert von der Israel Science Foundation, dem Yad Abraham Center fuer Krebsdiagnose und -therapie und der Minerva-Stiftung.

Prof. Geiger ist Inhaber des Erwin-Neter-Lehrstuhls fuer Zell- und Tumorbiologie.

Prof. Kam ist Inhaber der Israel-Pollak-Lehrstuhls fuer Biophysik.
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