Entdeckung beschleunigt das Verständnis von Zellwegen
Wenn Zellen ineinander stoßen, bewegen sich Kräfte und zittern oder brechen manchmal sogar.
„Zellen erzeugen ständig Kräfte und reagieren darauf. Sie werden von ihrer Umgebung angezogen “, sagte Jonathan Winkelman, Postdoktorand an der Universität von Chicago. Winkelman arbeitet im Labor von Margaret Gardel, Professorin am Fachbereich Physik und der Pritzker School of Molecular Engineering.
Im Gegensatz zu einem Gummiband, das bricht, wenn Sie es zu stark dehnen, löst eine überdehnte Zelle eine Reaktion aus, um sich selbst zu reparieren. Dieses Phänomen wurde mithilfe der Mikroskopie beobachtet, aber die Frage, wie der Reparatur- und Anpassungsprozess innerhalb der Zellen beginnt, ist bisher unbeantwortet geblieben.
In einer innovativen neuen Studie, die am 28. September in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde , demonstrierte Winkelman zusammen mit mehreren anderen Forschern der Universität von Chicago, wie ein Protein Kräfte in der Zelle erkennt und eine Reparatur einleitet.
Alle Zellen haben Aktin-Zytoskelette – ein Netzwerk aus filamentösem Protein, das für Zellprozesse wie Migration, Wachstum, Dehnung und mehr unerlässlich ist. „Die Menschen hatten zuvor ein Protein namens Zyxin in Zellen beobachtet, die zu diesen gestreckten Aktinstrukturen gelangen, waren sich jedoch nicht sicher, wie es funktioniert oder wie weit verbreitet diese Funktion ist“, sagte Winkelman.
UChicago-Forscher entdeckten, dass tierische Proteine, darunter Zyxin und das Einzelzellspaltungshefeprotein Paxillin, gestresste Materialien im Aktin-Zytoskelett nachweisen konnten. Unmittelbar nach dem Aufbringen mechanischer Kraft in einem Labor versammelten sich die Proteine dort, wo eine Reparatur erforderlich ist, und banden direkt an eine gestreckte Konformation des Aktinfilaments.
Die Dokumentation ihrer Beobachtung erforderte ein breites Spektrum an Fähigkeiten, um den perfekten Assay zu entwickeln, um diese Selbstreparatur außerhalb der Zelle aus gereinigten Komponenten wiederherzustellen. Die Doktorandin Caitlin Anderson, die diese Arbeit gemeinsam mit Winkelman verfasste, untersuchte Proteine mithilfe von Bildern und äußerst sensitiven Assays, die sie in einem Labor unter der Leitung von David Kovar, Professor für Molekulargenetik und Zellbiologie, entwickelt hatte.
Computerprogramme ermöglichten es ihnen, das menschliche Genom zu durchkämmen, um Proteine zu isolieren, die wahrscheinlich an dem Prozess beteiligt sind. Eine Gruppe namens LIM-Domänenfamilie von Proteinen erschien über 70 Mal im Genom, was auf die Bedeutung seiner Erhaltung für die menschliche Evolution hinweist.
Dann setzte Winkelman im Gardel-Labor einen Laser ein, um den Schaden, den die Kräfte wie das Dehnen anrichten, künstlich nachzuahmen. Sie fügten auch fluoreszierende Markierungen zu jedem der LIM-Proteine hinzu und beobachteten den Prozess mit Hochleistungsmikroskopen. Sobald es einen Riss oder einen Bruch gab, beobachtete das Team, dass viele der über 70 LIM-Domänenproteine, die vom menschlichen Genom kodiert werden, den Schaden schnell erkannten und an die betroffenen Stellen banden. Es war klar, dass die LIM-Kraftempfindlichkeit weit verbreitet war und von der Evolution kopiert und in Dutzende verschiedener Proteine eingefügt wurde, sagten die Wissenschaftler.
„Wir haben uns diese Gruppe von Proteinen angesehen, um diese Nachweis- und Reparaturreaktion in hochkomplexen Zellen zu aktivieren, die Tausende verschiedener Arten von Proteinen enthalten“, sagte Winkelman. „Um diesen Prozess wirklich zu verstehen, mussten wir jedoch die wesentlichen Komponenten reinigen und den gesamten Prozess außerhalb der Zellen neu aufbauen.“
Anderson verwendete eine Technik namens Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy und einen komplizierten Prozess, um eine sehr reine Probe von genau dem Protein zu erstellen, das sie brauchten – etwas, das noch nie zuvor gemacht worden war.
Sie entdeckten auch, dass diese Kraftmessung über LIM sowohl bei Hefen als auch bei Säugetieren beobachtet wird, was darauf hindeutet, dass es sich um eine uralte Funktion handelt, die die Evolution schützte und propagierte. Dieser hochkonservierte, uralte Mechanismus wird wahrscheinlich von einer Reihe anderer Prozesse verwendet, um Kräfte in Zellen zu erfassen.
„Die zelluläre Kraftmessung über LIM-Domänen könnte neben der Selbstreparatur viele andere Prozesse beeinflussen, z. B. die Kontrolle des Stammzellschicksals, der Zellproliferation oder der Zellmigration sowie viele weitere Signalwege, die weiter erforscht werden müssen“, sagte Gardel. „Was Jon und Caitlin fanden, ist, dass es viele dieser Proteine gibt, die diese Domäne teilen.“
„Die Arbeit fördert unser Verständnis der Grundlagenforschung – wie Zellen mechanische Signale erkennen und verarbeiten, wie verschiedene mechanische Pfade in Epithelzellen und anhaftenden Geweben reguliert werden“, sagte Gardel. „Es gibt aber auch Anwendungen zum Erstellen von weichen, reaktionsschnellen Materialien in einem nichtbiologischen Kontext, die denselben Erkennungsprozess aufweisen.“
Die Ergebnisse sind der Höhepunkt eines sechsjährigen MURI-Stipendiums des Army Research Office unter der Leitung von Kovar, Gardel und Prof. Greg Voth zum Thema kraftaktivierte Biologie.
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