Dehmelt, L.

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59www.systembiologie.de  forschung  Die Dynamik des ZellskelettsDie Entwicklung mehrzelliger Organismen, also auch von Menschen, wird durch zahlreiche Formänderun-gen einzelner Zellen geprägt. Diese Formänderun-gen werden durch ein zelluläres Skelett, das soge-nannte Zytoskelett, möglich. Im Unterschied zum starren, makroskopischen Skelett von Tieren, ist das Zytoskelett sehr flexibel und dynamisch. Es besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher, faserartiger Strukturen, welche in der Zelle durch Polymerisation und Depolymerisation von löslichen Einzelbaustei-nen auf- bzw. abgebaut werden (Abb. 1, oben). Eine besonders wichtige Rolle spielen hierbei Aktinfilamente und Mikrotubuli, welche aus den Proteinbausteinen G-Aktin und Tubulin aufgebaut sind. Diese Filamentarten haben eine asym-metrische Struktur, an welcher direktionaler Transport durch molekulare Motorproteine stattfindet. Solche Transportprozesse bilden zum einen die Grundlage für die räumliche Organisation des Zellinneren, zum anderen kann die Bewegung dieser Motor-proteine Kräfte erzeugen, welche das Zytoskelett entlang ande-rer Zellbestandteile verschieben und hierdurch Änderungen in der Zellform bewirken. In den letzten Jahrzehnten wurden viele mechanistische Details zur Regulation einzelner Komponenten des Zytoskeletts entschlüsselt. Die übergeordneten Mechanis-men, wie sich unterschiedliche Komponenten des Zytoskeletts gegenseitig beeinflussen und wie sich dadurch diese faserartigen Strukturen in der Zelle organisieren und die Zellform beeinflus-sen, sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Bezüglich dieser Fragestellung ist die Entwicklung von Nervenzellen (Abb. 1, un-ten) aufgrund der hierbei beobachteten dramatischen Änderun-gen der Zellform besonders interessant.Die Vermessung der Dynamik des ZytoskelettsIn unserer Arbeitsgruppe verfolgen wir einen modernen sys-tembiologischen Ansatz, welcher quantitative experimentelle Untersuchungen mit computergestützter Modellierung kom-biniert, um ein tieferes Verständnis zellulärer Prozesse zu erhalten. Die Qualität solcher Modelle ist durch die messbaren experimentellen Daten limitiert, welche typischerweise zellulä-re chemische Reaktionen oder einzelne Protein-Interaktionen repräsentieren. Die Erforschung von Zellformänderungen erfordert zusätzlich genaue Messungen von mechanischen Prozessen, welche durch den dynamischen Auf- und Abbau des Zytoskeletts und dessen Verschiebung durch Interaktionen mit Oben: Schematische Darstellung eines asymmetrischen Aktinfilaments (F-Aktin), wel-ches durch Polymerisation aus G-Aktin-Einzelbausteinen gebildet wird. Die asymme-trische Struktur des Filaments ermöglicht direktionalen Transport über Motorproteine. Unten: Zwei Arten von Zytoskelettfilamenten sind in einer entwickelnden Nervenzelle angefärbt: Aktin (rot) und Mikrotubuli (grün). Eine Struktur im peripheren Bereich der Zelle, in einem sogenannten Wachstumskegel, ist vergrößert dargestellt (reproduziert aus Dehmelt et al. 2003 mit Erlaubnis von The Society for Neuroscience).Abbildung 1: Die räumliche Organisation des Skeletts von Nervenzellen in frühen Entwicklungsstadien Bild: Leif Dehmeltdie dynamik des zellskelettsWie molekulare „Speckles“ die Bausteine der Zelle sichtbar machenvon leif DehmeltDas Aktinzytoskelett wurde in neuronalen Vorläuferzellen mit einzelnen molekula-ren Speckles markiert. Durch die computergestützte Analyse der dynamischen Eigenschaften dieser Speckles in Filmsequenzen kann die räumliche Verteilung der Polymerisation, Depolymerisation sowie die Verschiebungen von Aktinfila-menten verfolgt und quantifiziert werden (Bild: Leif Dehmelt, Tomáš Mazel).Abbildung 2: Vermessung der Filamentdynamik durch „Speckle“-MikroskopieAbbildung 3: Wechselseitiger Einfluss von Zytoskelettkomponenten in ZellenAktinfilamente (rot) unterliegen einem ständigen Fluss (türkisfarbene Pfeile), welcher auch Mikrotubulifilamente (grün) in Richtung des Zellzentrums verschiebt. Die Mikrotubuli werden oft unter dem Einfluss dieser Kraft aus dem Aktinzytoskelett gebeugt (gelbe Pfeile). Eine größere Ansammlung von Mikrotubulifilamenten (weiße Pfeile) kann allerdings dieser Kraft entgegenwirken, limitiert hierdurch die räumliche Anordnung des Aktinzytoskelett und beeinflusst somit indirekt die Zellform (Dehmelt et al. 2003). Die komplette Filmsequenz kann über den Internetlink www.mpi-dortmund.mpg.de/forschungProjekte/AGs/Dehmelt/forschung/index.html eingesehen werden (Bild: Leif Dehmelt).molekularen „Motoren“ angetrieben werden. Zur experimen-tellen Charakterisierung dieser dynamischen Eigenschaften des Zytoskeletts wird häufig eine spezielle mikroskopische Technik, die sogenannte „Speckle“-Mikroskopie, verwendet (Danuser and Waterman-Storer, 2006). In diesem Verfahren wird eine sehr geringe Menge von Filamenteinzelbausteinen in Zellen eingebracht, welche mit einem Farbstoff – in diesem Fall das Grün Fluoreszierende Protein aus der Qualle Aequorea victoria – markiert sind. Diese markierten Einzelbausteine bilden in Zel-len winzige „Farbkleckse“ (engl. „Speckles“). Solange diese Bau-steine in gelöster Form vorliegen, bewegen sie sich sehr schnell durch typische Molekularbewegungen (Diffusion) und werden daher in der „Speckle“-Mikroskopie nicht als einzelne Moleküle abgebildet. Wenn diese Einzelbausteine jedoch in dynamisch reorganisierende Zytoskelettfilamente eingebaut werden, ist deren Motilität aufgrund der Größe der Zytoskelettstrukturen stark reduziert, wodurch sie leichter detektiert werden können. In Zytoskelettfilamenten können durch sensitive mikroskopi-sche Analyse sogar einzelne, markierte Filamenteinzelbausteine in lebenden Zellen verfolgt werden (Watanabe and Mitchison, 2002). Das plötzliche Erscheinen eines solchen Speckles ent-spricht daher dem Einbau (Polymerisation), das Verschwinden eines Speckles dem Abbau (Depolymerisation) eines Filament-segments. Verschiebungen der einzelnen Speckles beruhen auf Bewegungen innerhalb der Zytoskelettstruktur, welche durch herkömmliche Techniken oft nicht genau messbar sind. Abb. 2 zeigt exemplarisch am Beispiel des Aktinzytoskeletts, wie mit dieser Technik ein kontinuierlicher Fluss der Zytoskelettkom-ponenten in lebenden Zellen vermessen werden kann.Prinzipien in der Organisation des Zytoskeletts: Mo-delle zur Integration von experimentellen DatenUm die räumlich-zeitliche Organisation des Zytoskeletts besser zu verstehen, ist es allerdings nicht ausreichend nur die dynamischen Eigenschaften einer einzelnen Zytoskelettkomponente, wie z. B. von Aktinfilamenten, zu vermessen, da diese mit einer Vielzahl weiterer Komponenten über komplexe mechanische und chemi-sche Mechanismen kommuniziert (Dehmelt and Bastiaens 2010). 60 forschung  Die Dynamik des Zellskeletts www.systembiologie.de61www.systembiologie.de  forschung  Die Dynamik des ZellskelettsAbb. 3 zeigt wie Mikrotubuli- und Aktin-vermittelte Kräfte durch ihren gegenseitigen Einfluss die Zytoskelettstruktur und somit die Zellform beeinflussen (Dehmelt et al., 2003; Dehmelt et al., 2006).Leider ist die Anzahl der Komponenten, welche simultan in einer einzelnen Zelle verfolgt werden können, durch die Anzahl ver-fügbarer unterscheidbarer Farbstoffe begrenzt. Daher können nicht alle möglichen Interaktionen gleichzeitig gemessen wer-den. Um die mechanistische Grundlage dieser wechselseitigen Interaktionen dennoch zu entschlüsseln, integrieren wir Beob-achtungen aus unterschiedlichen Experimenten in dynamischen, mathematischen Modellen der zentralen Komponenten des Zyto-skeletts (skizziert in Abb. 4). Die Vorhersagen aus solchen Model-len bezüglich der Zelldynamik werden durch gezielte experimen-telle Manipulationen überprüft. Durch ein enges Zusammenspiel zwischen Theorie und Experiment entschlüsseln wir somit die grundlegenden Prinzipien, auf welche Weise sich die Struktur des Zytoskeletts durch mechanische und chemische Interakti-onen mit anderen Zellkomponenten selbst organisiert und wie diese Prozesse zu Zellformänderungen, wie beispielsweise der Bildung von Zellfortsätzen in Nervenzellen, führen. Die direkte Beobachtung von molekularen Speckles hilft uns hierbei Licht ins Dunkel dieser komplexen zellbiologischen Vorgänge zu bringen.Steckbrief Forschungsprojekt:Die Arbeiten wurden von der FORSYS Partner Initiative des BMBF unter dem Titel „Interaktionen von zellulären Systemen in der Entwicklung von Nervenzellen“ gefördert und in der Abteilung für Systemische Zellbiologe im Max-Planck-Institut für Molekula-re Physiologie und an der TU Dortmund durchgeführt.Referenzen:Danuser, G., and Waterman-Storer, C.M. (2006). Quantitative flu-orescent speckle microscopy of cytoskeleton dynamics. Annual review of biophysics and biomolecular structure 35, 361-387.Dehmelt, L., Smart, F.M., Ozer, R.S., and Halpain, S. (2003). The role of microtubule-associated protein 2c in the reorganization of microtubules and lamellipodia during neurite initiation. J Neurosci 23, 9479-9490.Dehmelt, L., Nalbant, P., Steffen, W., and Halpain, S. (2006). A microtubule-based, dynein-dependent force induces local cell protrusions: Implications for neurite initiation. Brain Cell Bio-logy 35, 39-56.Dehmelt, L., and Bastiaens, P.I. (2010). Spatial organization of intracellular communication: insights from imaging. Nat Rev Mol Cell Biol 11, 440-452Watanabe, N., and Mitchison, T.J. (2002). Single-molecule speck-le analysis of actin filament turnover in lamellipodia. Science 295, 1083-1086.Kontakt:Dr. Leif DehmeltArbeitsgruppenleiter Abteilung Systemische ZellbiologieTU Dortmund und Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologieleif.dehmelt@mpi-dortmund.mpg.deDrei Komponenten, Aktin (rot), Mikrotubuli (grün) und die Plasmamembran (grau), beeinflussen sich gegenseitig über mechanische Kräfte und bilden spontan einen Auswuchs. Zahlreiche weitere Komponenten, welche die betei-ligten Kräfte produzieren und die chemischen und mechanischen Eigenschaf-ten der Zytoskelettfilamente regulieren, sind zur Vereinfachung nicht aufgeführt(Bild: Leif Dehmelt).Abbildung 4: Schema eines einfachen Modells zur Simulation von Formänderungen in Zellenag Dehmelt: (von links nach rechts und von oben nach unten) Leif Dehmelt, Nicolas Brauckhoff, Julia Arens, Melanie Grässl, Olga Müller, Tomáš Mazel, Johannes Koch, Anja Biesemann, Silke Gandor, Pia Jeggle, Magda Krejczy, Verena Hannak.Das Max-Planck Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund.

Die Dynamik des Zellskeletts. Wie molekulare "Speckles" die Bausteine der Zelle sichtbar machen

http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0014-00FB-A

Die Dynamik des Zellskeletts. Wie molekulare "Speckles" die Bausteine der Zelle sichtbar machen

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