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Studie - Zelle Zellkommunikation / BIOMEDITEC^®

Wissenschaftler des Weizmann Instituts schlagen ein Modell zur Regulierung der Zelladhäsion vor - die für die Embryonalentwicklung, die Bewegung von Zellen und Zellkommunikation zentrale Bedeutung hat.
'Harte Zeiten', oder besser gesagt, eine inelastische Umgebung, erhöht die Neigung von Zellen zur Bildung enger Verbindungen und zur Kommunikation - dies ergibt eine neue Studie des Weizmann Instituts, die in der März-Ausgabe der Zeitschrift Nature Cell Biology veröffentlicht wird. Die Ergebnisse zeigen einen neuen Parameter bei der Regulierung der Zellhaftung, nämlich die physikalischen Eigenschaften der unmittelbaren Umgebung.

Die Zelladhäsion, d.h. der Mechanismus, mit dessen Hilfe sich Zellen an angrenzende Zellen und an die extrazelluläre 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. Gestörte Adhäsion kann zum Ausbruch von Krankheiten, beispielsweise Krebs, führen.

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

Diese Fragen beschäftigten das Weizmann Team unter der Leitung von Prof. Benjamin Geiger von der Abteilung Molekulare Zellbiologie. Zur Forschungsgruppe gehörten 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.

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

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

Wie sich herausstellte, entstehen sowohl 'fibrillar adhesions' als auch 'focal contacts' in der Nähe der Zellperipherie, bevor sie sich trennen. Während 'focal contacts' normalerweise am Ort ihrer Entstehung verbleiben, werden 'fibrillar adhesions' ständig durch ein Förderband - das kontraktionsfähige Mikrofilament-System der Zelle - zum Zellzentrum transportiert.

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

'Zellen weisen ein mit dem Tastsinn vergleichbares Sensorsystem auf, das sie über die Veränderungen ihrer Umgebung informiert', sagt Geiger. 'Während man bisher annahm, dass Zelladhäsion primär durch die Art der Moleküle beeinflusst wird, die der Zelle begegnen, stellt sich nun heraus, dass die pysikalischen Auslöser ebenfalls die Adhäsion und die Entscheidung der Zelle, sich in einer bestimmten 'Gegend` anzusiedeln bzw. sich zu lösen und weiter zu wandern, beeinflusst.' Sich in ihren physikalischen Eigenschaften verändernde Umgebungen schalten ausserdem Kommunikationsleitungen zwischen Zellen an, wie die Studie ebenfalls nahelegt. Frühere Forschungsarbeiten von Bershadsky und anderen hatten gezeigt, dass eine unter hoher Spannung stehende Umgebung zu erhöhtem Signalaustausch führt: Sie löst eine Signalkaskade aus, die sich wasserfallartig von der Zellperipherie zum Befehlszentrum, dem Zellkern, ausbreitet. Diese Sichtweise passt auch zu der kürzlich gemachten Entdeckung, dass steife, spannungsreiche Umgebungen zur Bildung von focal contacts fuehren, die sich durch verstärkte Phosphorylierung auszeichnen - einem wesentlichen Element der Zellkommunikation und Signalübertragung.

Diese Studie wurde gefördert von der Israel Science Foundation, dem Yad Abraham Center für Krebsdiagnose und -therapie und der Minerva-Stiftung. Prof. Geiger ist Inhaber des Erwin-Neter-Lehrstuhls für Zell- und Tumorbiologie. Prof. Kam ist Inhaber des Israel-Pollak-Lehrstuhls für Biophysik.