Zellen riechen mit einem Multifunktionstool

  • Eine Hefezelle spürt einen Duftstoffgradienten (blau) auf und wächst in die Richtung der Signalquelle. Dazu benutzt sie ein Multifunktionstool (gelb), das sich entlang der Membran bewegt. Montage: ETH ZürichEine Hefezelle spürt einen Duftstoffgradienten (blau) auf und wächst in die Richtung der Signalquelle. Dazu benutzt sie ein Multifunktionstool (gelb), das sich entlang der Membran bewegt. Montage: ETH Zürich

Wissenschaftler um Prof. Matthias Peter vom Institut für Biochemie an der ETH Zürich haben eine mögliche Antwort auf die Frage gefunden, wie Zellen Duftstoffsignale wahrnehmen und ihr Wachstum oder ihre Bewegung in die Richtung der Signalquelle lenken. In Hefezellen haben sie ein sehr fein regulierbares Multifunktionstool entdeckt, das chemische Signale erkennt, verarbeitet sowie eine entsprechende Reaktion – z.B. das Wachstum in Richtung potenzieller Geschlechtspartner – einleitet.

Sobald die untersuchten Zellen in ihrer Umgebung einen Signalgradienten vermuteten, setzten sie an einer zufälligen Stelle der Membran das Multifunktionstool zusammen. Dieses Tool ist den Untersuchungen zufolge ein großer Proteinkomplex aus über 100 verschiedenen Komponenten und so groß, dass er im Fluoreszenzmikroskop gesehen werden kann. Die Forschenden nannten den Komplex „Polarity Site“ (PS), weil dort, wo er sich ausbildete, polares Wachstum einsetzte.

Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie konnten die Wissenschaftler beobachten, wie die PS die Signalquelle eines Gradienten fand. Zunächst bewegte sich die PS entlang der Membran, um das nächst stärkere Signal aufzuspüren. Sobald die PS das stärkste Signal – die größte Menge des Signalstoffes im Gradienten – festgestellt hatte, blieb sie stehen. An diesem Ort bildete die PS nun eine Ausstülpung der Zelle aus, die in Richtung der Signalquelle weiter wuchs.

Um die molekulare Mechanik dieses Vorgangs zu verstehen, kam ein Computermodell zum Einsatz, welches in Zusammenarbeit mit Forschern des Automatic Control Labs um Heinz Köppl entwickelt wurde. Köppl lehrt inzwischen an der TU Darmstadt. „Dieses Modell half uns sehr, die Komplexität der PS und des Prozesses auf wenige unerlässliche Einzelteile zu reduzieren“, sagte Björn Hegemann, einer der beteiligten Forscher. Zu den essentiellen Einzelteilen der Maschinerie zählen laut den Ergebnissen der Experimente neben einem Rezeptor, der das Signal aufnimmt und weiterleitet, das Protein Cdc42, das den Rezeptor der Membran entlang führt, und das Protein Cdc24, welches die Aktivität von Cdc42 reguliert. „Man könnte 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 bewegte und nach einem stärkeren chemischen Signal suchte, waren nur wenige Moleküle des Bremsproteins Cdc24 in der Maschinerie vorhanden.

Hatte sie die Maximalkonzentration des Signals gefunden, wurden zusätzliche Cdc24-Moleküle aus dem Zellkern zum Komplex transportiert und dort angelagert. Je mehr dieser Moleküle an die PS-Maschine anlagerten, desto langsamer wurde sie. Aber erst, als ein gewisser Grenzwert von Cdc24 überschritten wurde, blieb die PS ganz stehen und begann die Zellausstülpung auszubilden.

Originalpublikation:
B. Hegemann, M. Unger, S. S. Lee, I. Stoffel-Studer, J. van den Heuvel, S. Pelet, H. Koeppl, M. A. Peter, Cellular system for spatial signal decoding in chemical gradients, Dev. Cell 35 (2015), 458–470 – DOI: 10.1016/j.devcel.2015.10.013

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