Molekulare Hemmung bringt Zellen in Bewegung

Forscher der Universität Osaka zeigen, wie die gegenseitige Hemmung zweier Moleküle zu ihrer Lokalisation an gegenüberliegenden Enden von Zellen führt und als Auslöser für die Bildung von Anhängen an einem Zellende dient, die eine gerichtete Zellbewegung ermöglichen.

Um auf Veränderungen in ihrer Umgebung zu reagieren, müssen sich einzelne Zellen, auch solche, die komplexe Organismen bilden, bewegen. Dies kann erreicht werden, indem man sich selbst mit Projektionen antreibt, die als Pseudopodien bezeichnet werden. Obwohl dieses System in vielen verschiedenen Arten vorhanden ist, sind die Mechanismen, die es steuern und es den Zellen ermöglichen, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen, nicht vollständig geklärt.

In einer kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Arbeit haben Forscher der Universität Osaka gezeigt, wie Zellen in einem als Schleimpilz bekannten Organismus die polarisierte Verteilung zweier Moleküle in ihren äußeren Membranen herstellen. Die Lokalisation dieser beiden Moleküle ausschließlich an verschiedenen Enden einer Zelle führt dazu, dass Maschinen zur Pseudopodiumbildung nur an einem Zellende aufgebaut werden. Dies gewährleistet eine unidirektionale Kraft von Pseudopodien, die zum Antreiben von Zellen verwendet werden, und ermöglicht eine gezielte Zellbewegung.

Mit verschiedenen experimentellen Ansätzen analysierten die Forscher die PIP3- und PTEN-Moleküle in Schleimpilzen und ermittelten, wie ihre polarisierte Verteilung entsteht. Zuerst zeigten sie, dass, wenn PTEN in den Zellen nicht vorhanden war, PIP3 über die gesamte Zellmembran verteilt wurde, was zur Entstehung mehrerer Pseudopodien führte. Dies wiederum verhinderte die Zellbewegung. Sie quantifizierten auch die Konzentrationen von PIP3 und PTEN und ihre spezifischen zellulären Verteilungen und zeigten, dass sie ausschließlich in verschiedenen Regionen auf der Membran verteilt waren, mit einer klaren Grenze zwischen ihnen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass PTEN und PIP3 als ultrasensitiver Schalter in Zellen funktionieren“, sagt Autor Masahiro Ueda. „Das Vorhandensein von PTEN und PIP3 bedeutet, dass sie sich gegenseitig unterdrücken, was verhindert, dass Zellen an verschiedenen Enden Pseudopodien bilden. Dies ist eine äußerst effektive Möglichkeit, um zu gewährleisten, dass die Zellen nur in eine Richtung Vortriebskräfte erzeugen und so Energieverluste vermeiden.“

Da PTEN und PIP3 scheinbar ähnliche Funktionen in einer Reihe von Organismen vom Schleimpilz bis zum Säugetier ausüben, könnten diese Ergebnisse die Zellmotilität bei vielen Arten erklären. Der Aufbau von zwei positiven Rückkopplungsschleifen von gegenseitig hemmenden Molekülen kann auch in anderen Signalwegen funktionieren, da er ein ultrasensitives Umschalten zwischen verschiedenen Zuständen ermöglicht.

„Unsere Arbeit deutet auch darauf hin, wie dieses System funktionieren könnte, um die Zelllebensfähigkeit zu fördern“, sagt Hauptautor Satomi Matsuoka. „Zum Beispiel, wenn ein Chemoattrakt mit einem bestimmten Konzentrationsgradienten vorliegt, bewirkt er, dass sich der PIP3-reiche Bereich in der Zellmembran in Bezug auf diesen Gradienten orientiert, was wiederum einen Vortrieb in Richtung des Gradienten induziert. Auf diese Weise werden die Zellen automatisch dazu veranlasst, sich in Richtung Reize und giftige Chemikalien in ihrer Umgebung zu bewegen oder sich von diesen zu entfernen.“

Mehr Informationen:
Satomi Matsuoka et al. Die gegenseitige Hemmung zwischen PTEN und PIP3 erzeugt Bistabilität für die Polarität in beweglichen Zellen, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06856-0

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