Zellen nutzen Falten in ihrer Membran, um sich fortzubewegen
Entwickelt sich ein Organismus, wandern Millionen von Zellen von Ort zu Ort, um an den richtigen Stellen Gewebe und Organe zu bilden. Um sich fortbewegen zu können, bilden manche Zellen Auswölbungen in Form von Bläschen, die in die Richtung zeigen, in die sie wandern. Wie ein Luftballon sehen diese Auswölbungen aus – anders als das Gummi eines Luftballons kann sich die äußere Schicht einer Zelle, die Zellmembran, allerdings nicht weit ausdehnen, ohne zu platzen. Wie entstehen dann die Auswölbungen? Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Universität Münster haben die Wanderung von sogenannten Urkeimzellen in Zebrafisch-Embryos untersucht und herausgefunden, dass Zellen bestimmte Falten in ihrer Zellmembran nutzen, um aus ihnen Bläschen zu bilden. Diese Falten sind normalerweise ins Zellinnere gestülpt und breiten sich dann nach außen hin auseinander. „Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass diese Strukturen bei der Bläschenbildung die entscheidende Rolle spielen“, sagt Zellbiologe Prof. Dr. Erez Raz, Gruppenleiter am Exzellenzcluster „Cells in Motion“. Dieses Wissen kann auch bei der Erforschung anderer Zellarten, zum Beispiel bestimmter Krebszellen, die sich ähnlich fortbewegen, hilfreich sein. Die Studie ist aktuell in der Fachzeitschrift „Developmental Cell“ erschienen.
Die Geschichte im Detail:
Verschiedene Zelltypen bewegen sich auf unterschiedliche Arten fort. Manche Zellen bilden Auswölbungen in Form von Blasen in Wanderungsrichtung aus, mit denen sie vorwärtskommen. Diese Blasen entstehen, wenn Druck im Inneren der Zelle die Zellmembran nach außen schiebt. In ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler diese Zellverformung bei Urkeimzellen in sich entwickelnden Zebrafisch-Embryos. Urkeimzellen wandern im Embryo vom Ort ihrer Entstehung zu den Geschlechtsorganen, wo sie dann zu Spermien und Eizellen werden. Innerhalb weniger Sekunden können sich Urkeimzellen umformen und Bläschen bilden. „Wir wollten herausfinden, wie sich die Zellen derart schnell verformen können und woher das benötigte ,Material‘ kommt, mit dem sie ihre Auswölbungen bilden“, sagt Zellbiologe Mohammad Goudarzi, Erstautor der Studie.
Die Wissenschaftler nahmen die Zellmembran ins Visier und identifizierten Falten, die ins Zellinnere gestülpt sind. Zum ersten Mal erforschten sie im lebenden Organismus, welche Rolle diese Falten spielen und wie sie sich dynamisch verhalten. Zunächst markierten die Wissenschaftler die Zellmembran mit einem fluoreszierenden Farbstoff, um sie unter dem Mikroskop zu beobachten. Das Ergebnis: Bevor die Zelle eine Blase bildete, waren in der Membran deutlich Falten zu erkennen. Hatte sich jedoch eine Blase gebildet, waren gleichzeitig keine Falten mehr zu sehen – was die Forscher vermuten ließ, dass die Falten an der Bläschenbildung beteiligt sind und sich auseinanderbreiten können.
Um die Dynamik dahinter zu untersuchen, markierten die Wissenschaftler die Membranfalten zusätzlich mit bestimmten Proteinen, welche bevorzugt an gekrümmte Membranen binden. Die Forscher beobachteten, dass diese Marker-Proteine sich an der Stelle der Zelle anreicherten, die in Wanderungsrichtung ausgerichtet ist. Dort bildeten sich wenig später auch die Blasen.
Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass ein Bestandteil des Zellskeletts, das Protein Aktin, ebenfalls an den Stellen auftrat, wo sich Falten entwickelten. Dieses Protein ist unter anderem dafür verantwortlich, dass die Zelle ihre Struktur situationsabhängig anpassen kann. Wie viel Aktin wann und wo vorkommt, reguliert dabei das Protein Cdc42. Um die Rolle dieses Proteins auch in Zusammenhang mit dem Verhalten der Falten in der Zellmembran zu untersuchen, hemmten die Forscher Cdc42. Mithilfe eines Konfokalmikroskops konnten sie im lebenden Organismus beobachten: War weniger Cdc42 vorhanden, bildeten sich auch weniger Falten. Das führte dazu, dass sich weniger Blasen bildeten, die Beweglichkeit der Zellen eingeschränkt wurde und sie dadurch nicht mehr ihr Ziel erreichten. „So konnten wir zeigen, dass die Bildung von Falten in der Zellmembran durch Cdc42 reguliert wird und dass eine Zelle diese Falten benötigt, um Blasen zu bilden und sich fortbewegen zu können“, sagt Mohammad Goudarzi.
„Unsere neuen Erkenntnisse darüber, wie sich Zellen fortbewegen, können von generellem Interesse sein – sowohl im Kontext von physiologischen Prozessen als auch bei Krankheiten“, sagt Erez Raz. Denn nicht nur Urkeimzellen, sondern auch andere Zelltypen bilden Blasen, wenn sie wandern – so zum Beispiel bestimmte Krebszellen, wenn sie in gesundes Gewebe eindringen. Auch bei der Zellteilung oder wenn Zellen absterben, kommt es an der Zelloberfläche zu Auswölbungen. Zukünftig könnten die neu gewonnenen Erkenntnisse auch in anderen Zellen und Organismen überprüft werden, um sie möglicherweise für spätere medizinische Anwendungen relevant zu machen.
Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch den Exzellenzcluster „Cells in Motion“ der Universität Münster, das Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF) der Universität Münster, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und den Europäischen Forschungsrat.
Originalpublikation:
Goudarzi M, Tarbashevich K, Mildner K, Begemann I, Garcia J, Paksa A, M Reichman-Fried M, Mahabaleshwar H, Blaser H, Hartwig J, Zeuschner D, Galic M, Bagnat M, Betz T, Raz E. Bleb expansion in migrating cells depends on supply of membrane from cell surface invaginations. Dev Cell 2017, DOI 10.1016/j.devcel.2017.10.030. Abstract
Hintergrund:
An der Studie arbeiteten verschiedene Forschergruppen des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ interdisziplinär zusammen. So entwickelten Biologen um CiM-Nachwuchsgruppenleiter Dr. Milos Galic spezielle Proteine, mit denen die Falten der Zellmembran markiert und ihre Bewegungen verfolgt werden konnten. Biophysiker um CiM-Professor Timo Betz entwickelten eine spezielle Software, um genaue Messungen der fluoreszierenden Signale an der sich schnell bewegenden Zellmembran machen zu können.