Multifunktionstool der Zelle

Zellen sind oft vor das Problem gestellt, dass sie von einer verheissungsvollen Duftwolke umgeben sind und in die Richtung der Duftquelle wachsen sollten. Nervenzellen beispielsweise bilden lange Forts?tze aus, die von Signalen anderer Zellen angezogen werden, so dass das Netzwerk des Nervensystems entsteht; Fresszellen erkennen die Duftstoffe von Krankheitskeimen, um sie zielgerichtet zu verfolgen und zu vernichten.

Wie aber nehmen Zellen diese Duftstoffsignale wahr, die immer schw?cher werden je weiter sie von der Quelle entfernt sind? Wie ?lesen? Zellen diese Signalabschw?chung ¨C fachsprachlich Signalgradient genannt -, um ihr Wachstum oder ihre Bewegung in die Richtung der Signalquelle zu lenken? F¨¹r die Biologie ist es eine grundlegende Frage wie r?umliche Signale wahrgenommen werden und ein bisher weitgehend ungel?stes R?tsel.

Sensor, Prozessor und Motor in einem

Nun pr?sentieren Forscherinnen und Forscher um ETH-Professor Matthias Peter vom Institut f¨¹r Biochemie eine m?gliche L?sung: Zumindest Hefezellen verf¨¹gen ¨¹ber ein sehr fein regulierbares Multifunktionstool, das chemische Signale erkennt und entsprechend verarbeitet sowie die richtige Reaktion ¨C Wachstum in Richtung der Signalquelle ¨C einleitet. Damit riechen Hefezellen, wo sich potenzielle Geschlechtspartner in der Umgebung befinden, so dass sie zu diesen hinwachsen k?nnen.

F¨¹r ihre Studie setzten die Biologinnen und Biologen einerseits auf mikroskopische Beobachtungen, andererseits auf ein Computermodell, welches sie in interdisziplin?rer Zusammenarbeit mit Forschern des Automatic Control Labs um Heinz K?ppel (jetzt an der TU Darmstadt) entwickelten.

Proteinklumpen auf Bedarf

Vermutet die Zelle in ihrer Umgebung einen Signalgradienten, setzt sie an zuf?lliger Stelle der Membran das Multifunktionstool zusammen. Dieses Tool ist ein grosser Proteinkomplex aus ¨¹ber 100 verschiedenen Komponenten. Der Komplex ist so gross, dass er im Fluoreszenzmikroskop gesehen werden kann. Die Forschenden nennen ihn ?Polarity Site? (PS), weil dort, wo er sich ausbildet, polares Wachstum einsetzt.

Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie konnten die Forschenden nun beobachten, wie die PS die Signalquelle eines Gradienten findet. Zun?chst bewegt sich die PS entlang der Membran, um das n?chst st?rkere Signal aufzusp¨¹ren. Sobald die PS das st?rkste Signal ¨C die gr?sste Menge des Signalstoffes im Gradienten ¨C festgestellt hat, bleibt sie stehen. An diesem Ort bildet die PS nun eine Ausst¨¹lpung der Zelle aus, die in Richtung der Signalquelle weiter w?chst. Nat¨¹rlicherweise wird das Signal von einem Geschlechtspartner produziert und beide Zellen verschmelzen, sobald sie sich gefunden haben.

Modell reduzierte komplexes Gef¨¹ge

Um die molekulare Mechanik dieses Vorgangs zu verstehen, griffen die Forschenden auf das Computermodell zur¨¹ck. ?Dieses Modell half uns sehr, die Komplexit?t der PS und des Prozesses auf wenige unerl?ssliche Einzelteile zu reduzieren?, sagt Bj?rn Hegemann, Erstautor einer Studie, die in der Fachzeitschrift Development Cell erschien. Zu diesen essentiellen Einzelteilen der Maschinerie z?hlen ein Rezeptor, der das Signal aufnimmt und weiterleitet. Weiter geh?ren dazu das Protein Cdc42, das den Rezeptor der Membran entlang f¨¹hrt, und das Protein Cdc24, welches die Aktivit?t von Cdc42 reguliert. ?Man k?nnte den Rezeptor als die Nase, Cdc42 als das Rad der Maschinerie und Cdc24 als deren Bremse bezeichnen?, so Hegemann.

Solange sich die PS auf der Zellmembran bewegt und nach einem st?rkeren chemischen Signal sucht, sind nur wenige Molek¨¹le des Bremsproteins Cdc24 in der Maschinerie vorhanden. Hat sie die Maximalkonzentration des Signals gefunden, ordert sie zus?tzliche Cdc24-Molek¨¹le, die im Zellkern gelagert werden, zum Komplex. Je mehr davon an die PS-Maschine anlagern, desto langsamer wird sie. Aber erst wenn ein gewisser Grenzwert von Cdc24 ¨¹berschritten wird, bleibt die PS ganz stehen und beginnt die Zellausst¨¹lpung auszubilden.

Wichtiger Grundstein

?Die Bewegung der Polarity site haben wir zuerst mit dem Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Dann haben wir diese Bewegung im Computer simuliert und dadurch eine Hypothese entwickelt, wie die Bewegung kontrolliert werden k?nnte. Diese Hypothese konnten wir dann experimentell durch Mutationen und mit dem Fluoreszenzmikroskop best?tigen?, freut sich Hegemann ¨¹ber die neuen Erkenntnisse. Das relativ einfache Computermodell habe eine tolle Basis gelegt f¨¹r die Planung der Experimente. Im Modell h?tten sie die Komponenten sehr rasch ?ndern k?nnen und so ohne Experimente erkannt, was wichtig sei. Das habe die Studie vereinfacht, da man nicht alles experimentell habe testen m¨¹ssen.

Hegemann geht davon, dass nicht nur in Hefezellen ein solches Multifunktionstool wie die Polarity Site zum Einsatz kommt. ?hnliches Verhalten einer PS wurden auch in der Spalthefe (S. pombe) und im Fadenwurm (C. elegans) beobachtet, ohne das jedoch eine molekulare Erkl?rung daf¨¹r gefunden wurde. Diese konnten nun die ETH-Forschenden liefern und erstmals im Detail erkl?ren, wie Zellen einen Duftstoff-Gradienten finden k?nnen. Diese Arbeit legt einen wichtigen Grundstein f¨¹r weitere Studien zur r?umlichen Signalwahrnehmung von Zellen der Hefe aber auch des Menschen. Direkte medizinische Anwendungen gibt es laut Hegemann derzeit nicht: ?In ferner Zukunft kann diese Arbeit durchaus auch der Allgemeinheit n¨¹tzen. Im Moment stellt sie haupts?chlich einen wichtigen Erkenntnisgewinn in der Grundlagenforschung dar.?