Drosophila TNFa´s Funktion in Immunzellen

Immunzellen helfen uns Menschen vor Infektionen zu schützen. Zu jedem Zeitpunkt gleiten viele dieser Immunzellen im Blut durch unseren Körper. Entdeckt der Körper eine Infektion, beginnt er den Immunzellen Signale zu senden, damit diese dann den Infektionsherd erreichen können. Um das zu tun, müssen sie sich zuerst an Zellen der Blutgefässwände haften, um sich dann zwischen diesen Zellen hindurch den Weg zum eigentlichen Ziel zu bahnen. Eines der wichtigsten Signale für Infektionen ist der so genannte Tumor necrosis factor (TNF). Er fuehrt dazu, dass die Wände der Blutgefässe mehr Proteine erzeugen, die es den Immunzellen erlauben Haftung aufzubauen, aber auch gleichzeitig daß die Zellen in den Wänden weniger stark aneinander kleben. Eine noch relativ wenig erforschte Eigenschaft von TNF is seine Fähigkeit, auch die Form der Blutgefäße zu verändern. Es ist auch nicht bekannt, ob die von TNF überbrachten Signale das Gewebe dahingehend verändern, dass die Immunzellen eine veränderten Kraftaufwand benötigen, sich durch die Wand zu bewegen. In diesem Projekt, werden wir diese Fragen in der Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, studieren. Die Verwendung des Modellorganismus Drosophila ermöglicht die effiziente Manipulation von Genen, die Bauanleitungen für Proteine, und somit die Grundlage für den oben beschriebenen Prozess. In der Fruchtfliege, können Gene zu bestimmten Zeitpunkten und in bestimmten Körperteilen ein- bzw. ausgeschaltet werden, um deren Rolle in einem bestimmten Ablauf zu untersuchen. Die Arbeit mit Fliegen erlaubt es auch, sowohl die Bewegungen der Zelle, als auch die Bewegungen der Proteine innerhalb der Zelle in einem intakten Embryo aufzuzeichnen. Das alles wird durch die Verwendung von fluoreszierenden Markern ermöglicht. Die Migration von Immunzellen im Drosophila Embryo beinhaltet einen Schritt, bei dem diese eine Gewebewand durchdringen. Wie unsere Forschungsgruppe in früheren Arbeiten gezeigt hat, hat dieser Schritt große Ähnlichkeiten zum Durchschreiten der Blutgefässe bei der menschlichen Immunantwort. Wir könnten zeigen, dass die Genvariante aus der Fruchtfliege von TNF und die Empfänger für das Signal alle gemeinsam für das durchdringen der Gewebewand notwendig sind. Wir können daher die Bedeutung von TNFfuer die Regulierung von zellulären und biophysikalischen Eigenschaften in einem lebenden Tier erforschen -- auch dank modernster experimenteller Techniken, die uns Spannungen auf der Zelloberfläche messen lassen. Die Arbeitshypothese für das Projekt ist, dass TNF durch Veränderungen in der Steifigkeit und Adhesion der Gewebezellen, das Hindurchschlüpfen der Immunzellen ermöglicht -- und zwar mittels Myosin, ein Protein deßen Eigenschaften und Lokalisation in der Zelle verändert werden. Myosin ist ein molekularer Motor, der steife Aktin-Stränge gegeneinander bewegen und miteinander verbinden kann. Wir werden auch untersuchen, ob der gleiche Mechanismus in höheren Organismen auftritt, und ob diese Signalgebung wichtig für die Embryonalentwicklung von Fliegen und Wirbeltieren ist.

Wie winzige Bausteine formen Milliarden von Zellen unseren Körper. Aber im Gegensatz zu Bausteinen können sich einige Zellen durch den Körper bewegen. Die allgemein bekannteste Form dieser Zellwanderung oder Zellmigration findet während der Metastasenbildung statt, also der von einem Primärtumor ausgehenden Verbreitung von Krebszellen. Zellmigration kann aber auch positive Effekte haben, zum Beispiel, wenn Immunzellen aus einem Blutgefäß in geschädigtes oder entzündetes Gewebe gelangen müssen. Um von A nach B zu kommen, müssen sowohl Krebs- als auch Immunzellen jedoch Gewebebarrieren überwinden. Diese werden von Zellen gebildet, die dicht an dicht beieinandersitzen und dadurch den Durchtritt erschweren. In ihrer Studie konnte die Forschungsgruppe von Professorin Daria Siekhaus vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) anhand der Fruchtfliege (Drosophila) zeigen, dass eine bestimmte Art von Immunzellen namens Makrophagen Gewebebarrieren leichter durchdringen können, wenn die Barrierezellen ein Signal erhalten, das die Spannung in ihrem Inneren herabsetzt. Makrophagen spielen in der Entwicklung eine wichtige Rolle und wandern durch den sich formenden Fruchtfliegenembryo. Auf ihrem Weg müssen sie ein Gewebe durchqueren, das Keimband genannt wird. Die ForscherInnen beobachteten, dass wandernde Makrophagen beim Erreichen dieser Barriere abstoppen und versuchen, sich durch die Zellbarriere zu drängen. Diese Aufgabe wird durch ein Signal erleichtert, das an die Zellen der Barriere gesendet wird, um ihre Spannung zu verringern. Die Barrierezellen verlieren dadurch an Steifheit und werden verformbar, sodass sich die Makrophagen leichter hindurchquetschen können. Wie die Siekhaus Gruppe herausfand, handelt es sich beim ausgesandten Signalstoff um die Drosophila-Form des so genannten Tumor-Nekrose-Faktors (TNF). TNF ist ein Signalmolekül, das bei Entzündungsprozessen in Wirbeltieren eine wichtige Rolle spielt. In der Fliege bindet TNF an seinen Rezeptor und verändert so die Position eines anderen Proteins, Patj. Das Patj-Protein wiederum steuert die Aktivität von Myosin, einem Motorprotein, das für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der zellulären Spannung unerlässlich ist. Um ihre Hypothese zu beweisen, wandten die ForscherInnen eine Technik an, die als Laserablation bezeichnet wird. Dabei wird die Verbindung zwischen zwei Barrierezellen unter dem Mikroskop durchtrennt, sodass sich - ähnlich wie beim Zurückschnappen der zwei Enden eines reißenden Gummibands - die beiden Zellen voneinander entfernen. Je größer die Spannung in einem Gummiband beim Zurückschnappen ist, desto schneller schnappen die Enden auseinander. Dasselbe gilt auch für die voneinander getrennten Zellen. Durch Messung der Trenngeschwindigkeit können die ForscherInnen also die Spannung in den Zellen berechnen. Bei mutierten Embryonen, denen das TNF-Molekül fehlt und bei denen somit keine Signale an die Barrierezellen geschickt werden, ist die Myosin-Aktivität in den Zellen erhöht. Dadurch schnappen die Zellen schneller auseinander als bei intakten Zellen, d.h. sie stehen unter mehr Spannung. Da TNF-Signalmoleküle auch bei Wirbeltieren eine wichtige Rolle spielen, haben diese Ergebnisse eine potenzielle Bedeutung weit über die Fruchtfliege hinaus.