Mechanische Anpassung des lamellipodialen Aktins

Zellautonome Fortbewegung ist ein weitgehend universelles Merkmal eukaryotischer Lebensformen. Embryonalentwicklung, Regeneration und Immunüberwachung basieren ganz wesentlich auf Zellfortbewegung und auch eine Unzahl von Pathologien treten als Konsequenz fehlgeleiteter Zellwanderung auf; metastatisch ausbreitenden Tumoren stellen hier das prominenteste Besipiel dar. Wenn eine wandernde Zelle auf ein Hindernis trifft, so kann sie dieses entweder umgehen oder es wegschieben. Zelluläre Schubkräfte werden ausschliesslich von polymerisiernden Filamenten des Aktin Zytoskeletts generiert. In unseren Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass eine wandernde Zelle ihre Schubkräfte an die jeweilig vorherrschende Gegenkraft anpassen kann, indem sie die Anzahl der polymerisierenden Aktinfilamente reguliert. D.h., je schwerer das Hindernis wegzuschieben ist, desto stärker schiebt die Zelle. Unsere quantitativen Daten zeigen, dass diese Anpassung eine emergente Eigenschaft der speziellen Geometrie des verzweigenden dynamischen Aktin Netzwerkes ist. Im beantragten Projekt schlagen wir vor, biophysikalische Zellmanipulationen, quantitative Fluoresezenzmikroskopie und dreidimensionale Elektronenmikroskopie einzusetzen, um zu untersuchen, wie sich die exakte Geometrie des Zellskeletts verändert, wenn eine Zelle mechanische Kräfte auf ihre Umgebung ausübt bzw. wenn sie Richtungsänderungen einschlägt. Indem wir direkt die kraftegenerierende Einheit der Zelle kartieren und manipulieren, werden wir in der Lage sein, ein umfassendes quantitatives Modell zu entwickeln, welches beschreibt wie i) Zellen auf mechanische Kräfte reagieren und ii) wie die Zellen Richtungsänderungen implementieren. Unsere Untersuchungen sind nicht nur im Rahmen des Grundlagenverständnisses der Zellfortbewegung relevant, sondern beleuchten gleichermassen andere fundamentale zelluläre Prozesse wie Endozytose, Vesikelfortbewegung und die Ausbreitung intrazellulärer Pathogene, welche allesamt von den gleichen Aktin-abhängigen Prozessen angetrieben werden.

Zellen bewegen sich dauerhaft durch den Organismus und diese Funktion ist entscheidend für Entwicklungsvorgänge, Regeneration und Immunabwehr. Ziel des Projektes war es, besser zu verstehen, wie eine sich fortbewegende Einzelzelle reagiert, wenn sie auf "Hindernisse" stösst. Bewegt sie sich um diese herum oder schiebt sie sie weg? Wie schafft es das Zytoskelett der Zelle, welches die Kraft aufbaut und überträgt, solche Entscheidungen umzusetzen. Im Rahmen des Projektes konnten wir entscheidende Erkenntnisse über diese Vorgänge erlangen. Wir haben z.B. gefunden, dass Immunzellen effizient den Weg des geringsten Widerstandes herausfinden können und, dass sie ihr Zytoskelett und ihren Zellkern dazu einsetzen, den Pfad zu identifizieren. Weiterhin haben wir einen Mechanismus aufgedeckt, wie das Aktin Zytoskelett der wandernden Zelle dir Kraft erzeugen kann, um eine kleine Pore im Gewebe aufzudehnen, damit sie sich hindurchbewegen kann.