Medizin am Abend Fazit:
Heidelberger Wissenschaftler entschlüsseln molekularen Mechanismus der kollektiven Zellmigration, der etwa für die Wundheilung von Bedeutung ist
Damit Wunden sich wieder verschließen können, müssen Zellen sich gemeinsam und koordiniert in eine Richtung bewegen.
Bislang war der zentrale molekulare Mechanismus, mit dem Zellen diese Bewegungen über größere Entfernungen koordinieren können, unklar – Wissenschaftler der Universität Heidelberg und des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme konnten ihn nun entschlüsseln. Diese kollektive Zellmigration spielt nicht nur bei der Wundheilung eine wichtige Rolle, sondern ebenso bei der Embryonalentwicklung oder auch bei der Entwicklung von Krebs. Die Forschungsergebnisse, die in der Fachzeitschrift „Nature Cell Biology“
veröffentlicht wurden, sind daher für alle drei Bereiche von großer
Bedeutung.
„Die kollektive Bewegung von Zellen und biologischen Systemen ist eines
der wichtigsten natürlichen Phänomene und kommt auf verschiedenen Ebenen
und Längenskalen der Natur vor. Wir haben nun den molekularen Hauptakteur
und den entsprechenden Mechanismus identifiziert, der die kollektive
Migration von Epithelzellen, also Zellen des Deckgewebes von Haut,
steuert“, erklärt Prof. Dr. Joachim Spatz vom Physikalisch-Chemischen
Institut der Universität Heidelberg und dem Max-Planck-Institut für
Intelligente Systeme. In ihrer Untersuchung stellen die Wissenschaftler
einen vollständigen molekularen Mechanismus vor, der sich auf das Protein
Merlin konzentriert. Die Ergebnisse stellen eine Verbindung von
mechanischen Kräften innerhalb der Zelle zu kollektiven Zellbewegungen her
und zeigen auch, wie lokale Interaktion eine kollektive Dynamik auf der
multizellulären Ebene bewirkt. „Damit schaffen sie eine Analogie zu dem,
was man bereits von den kollektiven Bewegungen weiß, die sich in der
biologischen und physikalischen Welt beobachten lassen“, erklärt Prof.
Spatz.
Den Vorgang der Zellmigration vergleicht der Wissenschaftler mit den
Abläufen bei einem Marathon: „Auf der Ebene des gesamten Organismus
versucht ein Individuum in einer Menge ganz bewusst, seine Bewegungen an
denen seiner Nachbarn auszurichten, wofür Wahrnehmung und Aktion
miteinander in Einklang gebracht werden müssen.“ Innerhalb eines
Zellkollektivs sind diese beiden Vorgänge durch Signalübertragungswege
miteinander verbunden. In einem Zellkollektiv gibt es eine Führungszelle,
ähnlich dem Führenden in einem Marathonlauf. Sie ist mit den ihr folgenden
Zellen mechanisch durch Zell-Zell-Kontakte verbunden. Durch das
Voranlaufen der Führungszelle wird mechanische Spannung auf die
Verfolgerzellen ausgeübt, wie Joachim Spatz erläutert. Diese mechanische
Spannung nimmt das Protein Merlin wahr und initiiert die räumlich
polarisierte Verfolgungsbewegung. So wird die mechanische Spannung im
Verfolgerfeld von einer Zelle zur nächsten weitergegeben. Die
Verfolgerzellen reagieren darauf mit der Ausbildung von „Bein“-artigen
Ausstülpungen in Richtung der Führungszelle, um sich nach vorne zu
bewegen.
„Unklar war bisher, durch welche molekulare Verbindung diese beiden
Ereignisse, Wahrnehmung und Aktion, verbunden sind“, sagt Joachim Spatz.
„Dazu zeigt nun unsere Studie, wie Merlin als ein mechanosensitives
Protein zelluläre Kräfte in kollektive Zellbewegungen umwandelt, indem es
als mechanisch-chemischer Signalumwandler agiert. Erstaunlich ist dabei,
dass Merlin das einzige Protein in dem verantwortlichen Signalnetzwerk
ist, welches diese Eigenschaft in Zellkollektiven vermittelt – dass es
also keine Ersatzmechanismen gibt. Fällt Merlin aus, verlieren Zellen die
Fähigkeit, sich kollektiv zu bewegen, und verursachen die damit
verbundenen medizinisch relevanten, pathophysiologischen Merkmale von
Organismen.“
So ist der Hauptakteur der Studie, Merlin, auch ein bekannter
Tumorsuppressor, der für verschiedene Krebsarten verantwortlich ist. Zudem
ist Merlin an der Steuerung des sogenannten Hippo-Signalwegs beteiligt,
einem für die Biologie wichtigen Signalweg, der die Vermehrung von Zellen
und die Größe von Organen steuert und seit dem Auftreten von frühen
Vielzellern evolutionär konserviert wurde. „Es ist spannend zu sehen, dass
es mit dem von Merlin vermittelten Signalmechanismus eine Verbindung
zwischen diesen scheinbar ungleichen Aspekten zu geben scheint“, sagt der
Forscher.
An der Studie waren auch Wissenschaftler des Hamamatsu Tissue Imaging and
Analysis (TIGA) Center am BioQuant-Zentrum der Ruperto Carola sowie des
Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg beteiligt.
Originalveröffentlichung:
T. Das, K. Safferling, S. Rausch, N. Grabe, H. Boehm, J. Spatz: A
molecular mechanotransduction pathway regulates collective migration of
epithelial cells. Nature Cell Biology (published online 23 February 2015),
doi: 10.1038/ncb3115
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Joachim Spatz
Physikalisch-Chemisches Institut
Tel. +49 6221 54-4942
joachim.spatz@urz.uni-heidelberg.de
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Marietta Fuhrmann-Koch
Heidelberger Wissenschaftler entschlüsseln molekularen Mechanismus der kollektiven Zellmigration, der etwa für die Wundheilung von Bedeutung ist
Damit Wunden sich wieder verschließen können, müssen Zellen sich gemeinsam und koordiniert in eine Richtung bewegen.
Bislang war der zentrale molekulare Mechanismus, mit dem Zellen diese Bewegungen über größere Entfernungen koordinieren können, unklar – Wissenschaftler der Universität Heidelberg und des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme konnten ihn nun entschlüsseln. Diese kollektive Zellmigration spielt nicht nur bei der Wundheilung eine wichtige Rolle, sondern ebenso bei der Embryonalentwicklung oder auch bei der Entwicklung von Krebs. Die Forschungsergebnisse, die in der Fachzeitschrift „Nature Cell Biology“
veröffentlicht wurden, sind daher für alle drei Bereiche von großer
Bedeutung.
„Die kollektive Bewegung von Zellen und biologischen Systemen ist eines
der wichtigsten natürlichen Phänomene und kommt auf verschiedenen Ebenen
und Längenskalen der Natur vor. Wir haben nun den molekularen Hauptakteur
und den entsprechenden Mechanismus identifiziert, der die kollektive
Migration von Epithelzellen, also Zellen des Deckgewebes von Haut,
steuert“, erklärt Prof. Dr. Joachim Spatz vom Physikalisch-Chemischen
Institut der Universität Heidelberg und dem Max-Planck-Institut für
Intelligente Systeme. In ihrer Untersuchung stellen die Wissenschaftler
einen vollständigen molekularen Mechanismus vor, der sich auf das Protein
Merlin konzentriert. Die Ergebnisse stellen eine Verbindung von
mechanischen Kräften innerhalb der Zelle zu kollektiven Zellbewegungen her
und zeigen auch, wie lokale Interaktion eine kollektive Dynamik auf der
multizellulären Ebene bewirkt. „Damit schaffen sie eine Analogie zu dem,
was man bereits von den kollektiven Bewegungen weiß, die sich in der
biologischen und physikalischen Welt beobachten lassen“, erklärt Prof.
Spatz.
Den Vorgang der Zellmigration vergleicht der Wissenschaftler mit den
Abläufen bei einem Marathon: „Auf der Ebene des gesamten Organismus
versucht ein Individuum in einer Menge ganz bewusst, seine Bewegungen an
denen seiner Nachbarn auszurichten, wofür Wahrnehmung und Aktion
miteinander in Einklang gebracht werden müssen.“ Innerhalb eines
Zellkollektivs sind diese beiden Vorgänge durch Signalübertragungswege
miteinander verbunden. In einem Zellkollektiv gibt es eine Führungszelle,
ähnlich dem Führenden in einem Marathonlauf. Sie ist mit den ihr folgenden
Zellen mechanisch durch Zell-Zell-Kontakte verbunden. Durch das
Voranlaufen der Führungszelle wird mechanische Spannung auf die
Verfolgerzellen ausgeübt, wie Joachim Spatz erläutert. Diese mechanische
Spannung nimmt das Protein Merlin wahr und initiiert die räumlich
polarisierte Verfolgungsbewegung. So wird die mechanische Spannung im
Verfolgerfeld von einer Zelle zur nächsten weitergegeben. Die
Verfolgerzellen reagieren darauf mit der Ausbildung von „Bein“-artigen
Ausstülpungen in Richtung der Führungszelle, um sich nach vorne zu
bewegen.
„Unklar war bisher, durch welche molekulare Verbindung diese beiden
Ereignisse, Wahrnehmung und Aktion, verbunden sind“, sagt Joachim Spatz.
„Dazu zeigt nun unsere Studie, wie Merlin als ein mechanosensitives
Protein zelluläre Kräfte in kollektive Zellbewegungen umwandelt, indem es
als mechanisch-chemischer Signalumwandler agiert. Erstaunlich ist dabei,
dass Merlin das einzige Protein in dem verantwortlichen Signalnetzwerk
ist, welches diese Eigenschaft in Zellkollektiven vermittelt – dass es
also keine Ersatzmechanismen gibt. Fällt Merlin aus, verlieren Zellen die
Fähigkeit, sich kollektiv zu bewegen, und verursachen die damit
verbundenen medizinisch relevanten, pathophysiologischen Merkmale von
Organismen.“
So ist der Hauptakteur der Studie, Merlin, auch ein bekannter
Tumorsuppressor, der für verschiedene Krebsarten verantwortlich ist. Zudem
ist Merlin an der Steuerung des sogenannten Hippo-Signalwegs beteiligt,
einem für die Biologie wichtigen Signalweg, der die Vermehrung von Zellen
und die Größe von Organen steuert und seit dem Auftreten von frühen
Vielzellern evolutionär konserviert wurde. „Es ist spannend zu sehen, dass
es mit dem von Merlin vermittelten Signalmechanismus eine Verbindung
zwischen diesen scheinbar ungleichen Aspekten zu geben scheint“, sagt der
Forscher.
An der Studie waren auch Wissenschaftler des Hamamatsu Tissue Imaging and
Analysis (TIGA) Center am BioQuant-Zentrum der Ruperto Carola sowie des
Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg beteiligt.
Originalveröffentlichung:
T. Das, K. Safferling, S. Rausch, N. Grabe, H. Boehm, J. Spatz: A
molecular mechanotransduction pathway regulates collective migration of
epithelial cells. Nature Cell Biology (published online 23 February 2015),
doi: 10.1038/ncb3115
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Joachim Spatz
Physikalisch-Chemisches Institut
Tel. +49 6221 54-4942
joachim.spatz@urz.uni-heidelberg.de
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Marietta Fuhrmann-Koch