Links: Schematische Darstellung einer sich symmetrisch teilenden (AB - Lineage) Zelle (Draufsicht), die während der Zellteilung eine Neupositionierung durchläuft, Copyright: Lokesh Pimpale et al.; rechts: Schematische Darstellung eines rotierenden Bulldozers (Seitenansicht), Copyright: Quelle: openclipart.org von danjiro. Durchgehende Pfeile geben die Richtung von gegenläufigen Strömungen (linkes Bild) und gegenläufigen Ketten (rechtes Bild) an, und der gestrichelte Pfeil stellt die Bewegungsrichtung dar.
Jeder lebende Organismus wächst aus einer einzigen Zelle heran. Während der Entwicklung durchläuft der einzellige Embryo zahlreiche Zellteilungen, um einen voll funktionsfähigen Organismus zu erzeugen. Der Embryo muss die sich neu teilenden Zellen richtig positionieren, um sicherzustellen, dass sie mit den richtigen Nachbarzellen in Kontakt kommen und die richtigen Signale empfangen. Nur dann können sie sich ordnungsgemäß weiterentwickeln und differenzieren.
Der Zellkortex – eine Schicht aus Aktinfasern und Myosin-Motorproteinen direkt unter der Zellmembran – eine wichtige Rolle bei der Positionierung von Zellen spielt. Das Zusammenspiel von Aktin und Myosin erzeugt Kräfte, ähnlich wie beim Tauziehen, die Ströme im Zellkortex hervorrufen. Diese Ströme können wiederum Zellen neu positionieren, wenn sie sich teilen, um zwei Tochterzellen zu bilden. Bisher war jedoch nicht klar, wie gewöhnliche Zellen durch diese rotierenden Ströme neu positioniert werden.
Forschende aus der Gruppe von Stephan Grill, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und Gruppenleiter am Zentrum für Systembiologie Dresden, am Exzellenzcluster „Physik des Lebens“ an der TU Dresden, sowie dem Biotechnologischen Zentrum der TU Dresden, haben nun herausgefunden, dass gegenläufige Ströme im Kortex des Fadenwurms C. elegans die Bewegung bestimmter, aber nicht aller Zellen während der Zellteilung vorantreiben. In ihrer kürzlich in eLife veröffentlichten Studie zeigen die Wissenschaftler, dass gegenläufige Ströme nur in Zellen beobachtet werden, die sich symmetrisch teilen.
Wie können nun gegenläufig rotierende Ströme m Zellkortex Zellen neu positionieren? Lokesh Pimpale, Doktorand im Grill-Labor und Erstautor der Studie, erklärt: „Die gegenläufigen Ströme des Zellkortex drehen eine Zelle ähnlich wie sich ein Bulldozer auf der Stelle dreht, indem sich beide Ketten in entgegengesetzter Richtung drehen. Wir haben herausgefunden, dass gegenläufige Ströme zelllinien-spezifisch auftreten, das heißt, dass nur Zellen der AB-Linie des Fadenwurms gegenläufige Ströme und eine Zellschrägstellung aufweisen.“
Durch die Nachverfolgung der Zellpositionen konnten die Forschenden zeigen, dass gegenläufige Ströme die Bewegung symmetrischer Zellen in allen Phasen der Zellteilung antreiben und immer zu einer schiefen Zellanordnung führen. Stephan Grill, der die Studie leitete, fügt hinzu: „Das Actomyosin-Netzwerk erzeugt die Kräfte, welche die Entwicklung vorantreiben, und es kann rotierende Bewegungen von Zellen erzeugen. Wir konnten zeigen, dass diese Rotationsbewegungen und die daraus resultierenden Zellschiefstände viel häufiger auftreten als vielleicht angenommen und sie genau kontrolliert werden. Diese Arbeit ist deshalb so spannend, weil sie zeigt, dass komplizierte physikalische Kräfte wie Drehmomente, die durch gegenläufige Ströme erzeugt werden, im Spiel sind, wenn sich ein Organismus formt.“
Lokesh G Pimpale, Teije C Middelkoop, Alexander Mietke, Stephan W Grill: „Cell lineage-dependent chiral actomyosin flows drive cellular rearrangements in early C. elegans development“, eLife, 9 July, 2020, doi: 10.7554/eLife.54930