Ein Tastsinn für Zellen

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Prof. Dr. Perihan Nalbant

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Original Publikation

Graessl M, Koch J, Calderon A, Kamps D, Banerjee S, Mazel T, Schulze N, Jungkurth JK, Patwardhan R, Solouk D, Hampe N, Hoffmann B, Dehmelt L, Nalbant P. (2017). An excitable Rho GTPase signaling network generates dynamic subcellular contraction patterns. J Cell Biol.
doi: 10.1083/jcb.201706052.

JCB Spotlight

Min Wu (2017). Pulses and waves of contractility. J Cell Biol.
doi: 10.1083/jcb.201710079.

Zellen passen ihre Form ständig ihrer Umgebung an. Dafür nutzen sie ein dynamisches Aktinskelett, das durch ein komplexes Netzwerk von Signalmolekülen gesteuert wird. Die Forschungsgruppen um Leif Dehmelt und Perihan Nalbant (Universität Duisburg-Essen) haben einen zellulären Mechanismus identifiziert, der auf Basis von lokalen Aktivitätspulsen des Signalmoleküls Rho einen zellulären Tastsinn ermöglicht.

25. Oktober 2017

Insbesondere in der Dunkelheit, wenn wir uns nicht auf unsere Augen verlassen können, ist unser Tastsinn selbst für einfachste Aufgaben sehr wichtig. Dabei ist die Fähigkeit, etwas zu ertasten, nicht ein rein passiver Prozess. Vielmehr handelt es sich um einen aktiven Vorgang, in welchem wir unsere Bewegungen präzise an unsere sensorischen Erfahrungen anpassen. So drücken wir beispielsweise ein Objekt mit unseren Fingern zusammen, wenn wir wissen möchten, ob es hart oder weich ist und registrieren dabei dessen Widerstand.

Die Arbeitsgruppen von Leif Dehmelt und Perihan Nalbant (Universität Duisburg-Essen) identifizierten nun einen Mechanismus, mit dem menschliche Zellen die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung durch lokale Kontraktionen an der Zellmembran ertasten können. Dieser aktive Tastvorgang wird durch ein zelluläres Signalnetzwerk gesteuert, welches kurze (1-2 Minuten), lokale Aktivitätspulse eines Signalmoleküls in Zellen erzeugt. Diese entstehen dadurch, dass sich das Signal zunächst selbst verstärkt und sich dann nach einer kurzen Zeitverzögerung selbst hemmt. Solche Systeme, welche Selbstverstärkung und Selbsthemmung kombinieren und so Signalpulse auslösen werden als "erregbare Systeme" bezeichnet. Sie sind in der Natur weit verbreitet, wie etwa bei der Bildung von Aktionspotentialen und Aktivitätswellen in Neuronen oder im Herzmuskel. Durch experimentelle Erhöhung der Selbstamplifikation im Signalnetzwerk konnten die Forscher ebenfalls Ausbreitungswellen des Aktivierungssignals und damit verbundene Kontraktionen innerhalb einzelner menschlicher Zellen erzeugen.

Welche Funktion könnten also Kontraktionspulse für Zellen haben? Interessanterweise fanden die Forscher in ihrer Studie heraus, dass die gemessene Häufigkeit der Kontraktionspulse durch die Elastizität der Zellumgebung moduliert wurde. Dies deutet darauf hin, dass Zellen diesen aktiven Prozess nutzen könnten, um ihre direkte Umgebung zu ertasten – sehr ähnlich wie unsere vorsichtigen Bewegungen im Dunkeln. Einzelne Zellen haben in der Regel kein visuelles System und müssen sich deshalb weitestgehend auf ihren Tastsinn verlassen, wenn sie durch ihre Umgebung navigieren. Dieser taktile Navigationsprozess, in dem Zellen mitunter auch ihre intrinsischen Programme als Reaktion auf ihre Umgebung anpassen, spielt vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von mehrzelligen Organismen oder in Krankheiten, wie zum Beispiel der Krebsentstehung. Vieles über den Tastsinn von Zellen ist noch nicht verstanden. Die Forschung in den Arbeitsgruppen von Perihan Nalbant und Leif Dehmelt beleuchtet nun einige dieser verborgenen Geheimnisse.

LD/PN/JJ



Ausbreitung der Aktivität eines Signalproteins, welches Kontraktionen der äußeren Membran einer Zelle kontrolliert. Bei dem Signalmolekül handelt es sich um die kleine GTPase Rho, welche als molekularer Schalter fungiert und lokal aktiviert und deaktiviert werden kann. Insbesondere reguliert Rho die Zellkontraktion durch Aktivierung des molekularen Motors Myosin. Das Video zeigt eine einzelne menschliche Krebszelle mit einem 100-fachen Zeitraffer. Warme und helle Farben entsprechen einer hohen Aktivität des Signalproteins.
 
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