23. September 2020

Fühlen wie eine Zelle

Eine Forscherin untersucht, wie sich Immunzellen durch unseren Körper fühlen.

Winners of the ÖGMBT PhD Award 2020. © ÖGMBT
GewinnerInnen des ÖGMBT PhD Award 2020. © ÖGMBT

Jede Sekunde bewegen sich unzählige Zellen durch unseren Körper auf der Suche nach etwas zu fressen. Aglaja Kopf von der Sixt Forschungsgruppe am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) untersuchte in ihrer Doktorarbeit, wie diese Zellen sich durch das Gewebe fühlen. Dafür erhielt sie nun den PhD Award der Österreichischen Gesellschaft für Molekulare Biowissenschaften und Biotechnologie (ÖGMBT).

Weiße Blutkörperchen—die Leukozyten—sind auf der Jagd. Sie sind Teil des Immunsystems unseres Körpers, bewegen sich schnell und suchen nach Eindringlingen zum Fressen. Auf diese Weise wehren sie Infektionen und Krankheiten ab. Doch wie genau sie ihren Weg durch das komplexe Geflecht von Geweben und Zellen finden, ist noch Gegenstand aktueller Forschung. Aglaja Kopf von der Sixt Forschungsgruppe am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) erforschte neue Grundlagen für unser Verständnis der Leukozytenbewegung und wie diese sich extrem schnell bewegenden Zellen ihre eigene Form wahrnehmen und beibehalten. Für ihre Doktorarbeit erhielt sie nun am 21. September 2020 den PhD Award der Österreichischen Gesellschaft für Molekulare Biowissenschaften und Biotechnologie (ÖGMBT).

Auf ihrem Weg durch den Körper sehen sich die Leukozyten mit einer Vielzahl von Hindernissen konfrontiert, die sie zwingen, ihre Umgebung genau zu erspüren, um optimale Migrationswege zu finden. Dies tun sie, indem sie mehrere Ausbuchtungen ihrer Zellmembran in ihre unmittelbare Umgebung strecken, die immer dann, wenn sich die Zelle für eine bestimmte Route entschieden hat, koordiniert zurückgezogen werden müssen. Andernfalls würde sich die Zelle verfangen oder im schlimmsten Fall aufbrechen und sterben. Wie diese schnellen und verzweigten Zellen in der Lage sind, ihre eigene Form zu erfassen und zu integrieren, ist jedoch immer noch wenig verstanden.

In den Zellen

Aglaja Kopf. © ÖGMBT
Aglaja Kopf. © ÖGMBT

In ihrer Dissertation untersuchte Aglaja Kopf die Rolle der Mikrotubuli bei der Wahrnehmung der eigenen Form durch die Leukozyten. Mikrotubuli sind Teil des Zytoskeletts, der Proteinstränge in einer Zelle, die für die Zellteilung unerlässlich sind und die den internen Transport von Molekülen und Informationen ermöglichen. Sie sind Hohlzylinder aus Proteinen mit einem Durchmesser von 20 bis 30 Nanometern (ein Milliardstel Meter), die sich von einem Mikrotubuli-Organisationszentrum in der Zelle nach außen in Richtung ihrer äußeren Membran erstecken. An ihren Enden wachsen und zerfallen sie kontinuierlich und bilden dabei Fäden von variabler Länge. Aber wie tragen die Mikrotubuli zur Wahrnehmung der eigenen Form beweglicher Zellen bei?

Zunächst fungiert das Mikrotubuli-Organisationszentrum als richtungsangebend, indem es sich in die Ausbuchtung bewegt, in deren Richtung sich die Zelle bewegen möchte. Danach kommt es zu einem lokalen Zerfall der Mikrotubulifilamente in den anderen Ausbuchtungen, die bald darauf zurückgezogen werden. Eine Erklärung dafür, warum Mikrotubuli anfangen zu verschwinden, sobald sich das Organisationszentrum in eine bestimmte Ausbuchtung bewegt hat, ist, dass diese Zylinder starr sind und in geraden Bahnen wachsen. Wenn die Zelle also ihr Organisationszentrum um eine Ecke bewegt oder auf ein Hindernis trifft, brechen die Mikrotubuli auf und setzen Signalmoleküle frei, welche die Bewegung der Zelle lenken. Dadurch kann sie sich auf der Jagd nach eindringenden Zellen und Viren durch Verengungen im Gewebe bewegen.

Wenn bei der Wanderung von Leukozyten Mikrotubuli in einem Experiment zerstört wurden, verfingen sich die Zellen, weil die vortastenden Ausbuchtungen immer weiterwuchsen und es der Zelle unmöglich machten, sich für eine bestimmte Route zu entscheiden, was häufig zur Fragmentierung und schließlich zum Zelltod führte.

Wandernder Krebs und fühlende Neuronen

Die Untersuchung des Fühlens von Zellen ist nicht nur bei Leukozyten wichtig, sondern kann auch für das Krebswachstum und die Bildung von Neuronen von Bedeutung sein. Krebs wird durch abnormal wandernde Zellen gebildet. Daher könnte dieser neu entdeckte Mechanismus dabei helfen zu verstehen, wie Krebszellen Metastasen in entfernten Teilen des Körpers bilden und wie man sie daran hindern kann.

Neuronen im Gehirn bauen zunächst viele Verbindungen zu anderen Nervenzellen auf, halten dann aber nur bestimmte davon aufrecht. Der erste Hinweis auf Abbau in den nicht benötigten Armen des Neurons ist die Zerlegung von Mikrotubuli. Der hier untersuchte Mechanismus trägt auch zu diesem Prozess bei, aber wie genau er in die Bildung neuronaler Schaltkreise eingreift, ist noch eine offene Frage.

In ihrer Forschung verwendete Aglaja Kopf fortschrittliche 3D-Mikroskopie, um die Bewegung von Leukozyten sowohl in künstlichen Mikrokanälen als auch in Modellorganismen zu filmen und zu untersuchen. Sie verwendete Knochenmarkzellen, wandelte sie in Immunzellen um und aktivierte sie, indem sie Zellwandfragmente von E. coli Bakterien einführte. Dies wirkte wie ein Köder für ein Raubtier, wodurch die Leukozyten aktiv wurden.

Alle Zellen in unserem Körper können auf die eine oder andere Art ihre Form wahrnehmen. Die Erforschung dieser Fähigkeiten könnte es uns ermöglichen, Krankheiten besser zu behandeln und unsere Immunzellen auf ihrer Jagd in unserem Körper zu unterstützen.

Publikation

Kopf, A. 2019. The implication of cytoskeletal dynamics during leukocyte migration. IST Austria. https://doi.org/10.15479/AT:ISTA:6891

Projektförderung

Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem FWF, Grant Number W01250-B20, Nano-Analytics of Cellular Systems finanziert.



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