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Max-Planck-Forscher in Dresden erklären mit einem physikalischen Modell, wie sich in Zellen Polarität herausbildet

SPERRFRIST bis: 20.10.2011 20:00 CEST

Wo ist unten, wo oben, wo vorne, wo hinten? Für einen sich entwickelnden Embryo ist die Orientierung an einer geometrischen Achse lebenswichtig: Nur durch die Ausbildung eines anterioren und posterioren Pols gibt es ein Vorne und Hinten, kann die Entwicklung eines Organismus mit den entsprechenden Funktionen von Zellen fehlerfrei ablaufen. Gesteuert wird dieser Vorgang von den PAR-Proteinen – welche physikalischen Bedingungen sie an den jeweiligen Zellpol transportieren, und welche Kräfte sie dabei aushalten müssen, das hat Forscher um Stephan Grill in Dresden interessiert. Ihr Modell ist insofern von Bedeutung, als dieselbe Maschinerie, die die Polarität in Zellen verantwortet, auch die Entwicklung von Geweben wie Haut oder Hirn dirigiert und das Schicksal von Zellen lenkt – ob etwa Stammzellen weiter wachsen oder sich ausdifferenzieren. Fehler in der Polbildung können also schnell fatale Folgen wie Krebs haben. (Science, 20. Oktober 2011)

Stephan Grill ist ein Forscher, der an zwei Dresdner Max-Planck-Instituten angesiedelt ist, der zwischen dem für molekulare Zellbiologie und Genetik und dem für Physik komplexer Systeme pendelt. Seine Forschung verbindet dementsprechend immer Biologie und Physik. Die biologische Frage, wie ein Embryo seine polare Struktur ausbildet, ging er so mit seinem Projektteam im Fadenwurm C. elegans auch von einem physikalischen Standpunkt aus an: Bekannt war schon, dass die PAR-Proteine zwei Untergruppen bilden, die dann einen jeweiligen Pol der Zelle besetzen und damit das Ansiedeln der anderen Untergruppe verhindern. Wie aber die Sortierung der Proteine und ihr Transport genau abläuft, war bisher ein Rätsel.

Vorarbeiten hatten gezeigt, dass die PAR-Proteine mit hoher Geschwindigkeit an der inneren Oberfläche der Zellmembran in einer dünnen Aktinschicht umhersurfen – nicht zielgerichtet in willkürliche Richtungen, sie diffundieren also. Diese Schicht, das brachten nun neue Arbeiten ans Licht, ist ein zähflüssiger Strom, der kontinuierlich vom hinteren zum vorderen Pol fließt. Die Sortierung erledigt sich in diesem Strom von ganz alleine: Es reicht, dass die Proteine in der strömenden Schicht mitgeführt werden, einer direkten biochemischen Interaktion zwischen den beiden Proteinsystemen bedarf es damit nicht: „Man muss es sich wie eine Flaschenpost in einem großen Ozean vorstellen – die wird schnell über weite Strecken, oft tausende Kilometer weit, gespült, während sich etwa ein Schluck Wein, aus einer Flasche ins Meer geschüttet, eher träge verteilen und nur recht lokale Auswirkungen haben würde“, erklärt Projektmitarbeiter Nathan Goehring. Der Aktinstrom scheint so stark zu sein, dass er einen der Protein-Untergruppen trotz ihrer Diffusion wie eine Flaschenpost mitreißt und an den entfernten Pol schwemmt. Sind diese PAR-Proteine aus dem Weg geräumt, ist Platz für die andere Untergruppe, die sich dann in die Zellmembran integrieren kann – eine polare Struktur ist entstanden.

Passive Proteine im aktiven Strom bilden Muster

Bleibt die Frage, wie dieses System stabil bleibt – und warum die beiden Domänen, die sich herausbilden, auch nach dem Wegfall des Aktinstroms bestehen bleiben. Auch hier gibt ein physikalisches Modell die Antwort: Offenbar geben sich die Protein-Untergruppen gegenseitig Rückkopplungen, was sich schließlich in einem bestimmten räumlichen Mustern ihrer Verteilung auswirkt. Sind die anfangs an der Membran angedockten Unter-Proteine zum vorderen Pol gespült, beginnen die anderen Unter-Proteine im hinteren Bereich, eine Domäne auszubilden. Stabil bleibt diese Struktur deshalb, weil die Anzahl der PAR-Proteine im Embryo begrenzt ist; die beiden Untergruppen beginnen zu interagieren – und halten so das polare Muster aufrecht.

„Wir mögen dieses Modell wirklich sehr, weil es mit nur wenigen simplen physikalischen Prinzipien recht viele bisher rätselhafte Beobachtungen während der Polarisierung in Embryonen beantworten kann“, sagt Nathan Goehring stolz. Viele Fragen schließen sich nun allerdings an: Wie verankern sich die PAR-Proteine in der Zellmembran? Wie kommunizieren sie genau miteinander? Wie schafft es die Zelle, dass nur eine begrenzte Anzahl von PAR-Proteinen vorkommt? Goehring freut sich über diesen unabgeschlossenen Charakter des Forschungsthemas: „Für einen jungen Forscher wie mich gibt es nichts besseres als offene Fragen!“.

Bildunterschrift:
Ein polares Muster in einem Fadenwurm-Embryo: Die Proteine PAR-6 (rot) und PAR-2 (grün) defineren die anteriore und die posterioren Bereiche. Quelle: Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik Dresden

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