Menschen sind oft erstaunt, sogar erschrocken, wenn sie hören, daß viele ihrer Körperzellen beweglich sind und umherzukrabbeln pflegen. Dabei ist diese Mobilität für uns lebensnotwendig: Sonst würden Wunden nicht heilen, das Blut könnte nicht verklumpen und verletzte Äderchen verschließen, und das Immunsystem vermöchte nicht infektiöse Eindringlinge zu attackieren.

Manchmal allerdings ist das Kriechen von Zellen auch an nicht erwünschten krankhaften Prozessen beteiligt, etwa an fortschreitenden gewebezerstörenden Entzündungen und an der arteriosklerotischen Verengung von Blutgefäßen, welche die Gefahr eines Infarktes heraufbeschwören. Ebenfalls hängt damit zusammen, daß Krebszellen sich im Körper verbreiten: Würden die entarteten Zellen nur unkontrolliert wachsen, entstünden also keine Metastasen, könnte man die Patienten heilen, indem man den kompakten Tumor chirurgisch entfernt.

Um das Kriechen von Zellen ranken sich, seit man davon weiß, alle möglichen merkwürdigen Vorstellungen. Im Jahre 1786 beschrieb der dänische Biologe Otto F. Müller eine vorwärtsstrebende Zelle als ein "durchsichtiges, gelatinöses Körperchen mit einem glasartigen Ausläufer". (Die Begriffe Gel, Gelatine kommen vom lateinischen gelare für "erstarren", "einfrieren".) Diese Beobachtung – daß der mechanische Zustand der Zelle stellenweise verschieden sein und wechseln kann (heute spricht man von einer Sol-Gel-Transformation) – hat sich als sehr hilfreich erwiesen, um den Mechanismus von Zellbewegungen zu erforschen und die beteiligten molekularen Komponenten besser zu erkennen.

Neuerdings zeichnen sich sogar Möglichkeiten ab, daraus neue Behandlungsstrategien für einige schwer bekämpfbare Krankheiten zu entwickeln. Auf jeden Fall zählen Infektionen und Krebs dazu, aber womöglich auch die Mucoviscidose oder cystische Fibrose, eine angeborene schwere Stoffwechselstörung mit Absonderung zähen Schleims, die sich besonders in Lunge und Verdauungsdrüsen bemerkbar macht.

Verschiedene Zelltypen – gleiches Prinzip

Krebszellen wandern vergleichsweise langsam, mit 0,1 bis 1 Mikrometer (tausendstel Millimeter) pro Stunde. Ähnlich gemächlich kriechen die Zellen in abheilenden Wunden. Die Abwehrzellen des Immunsystems dagegen ebenso wie diejenigen Blutzellen, die für einen raschen Wundverschluß sorgen müssen, bewegen sich wesentlich schneller.

Gegen eindringende Erreger produziert ein Mensch pro Tag mehr als 100 Milliarden bestimmte weiße Blutkörperchen (neutrophile Granulocyten). Sie entstammen dem Knochenmark, aus dem sie auswandern, um für einige Stunden mit dem Blut durch den Körper zu fließen, bis sie aus den Kapillaren herauskriechen und in andere Gewebe vordringen. Sie können 30 Mikrometer in der Minute wandern, während sie Haut, Atemwege und Verdauungstrakt nach Mikroben abgrasen (Bild 1). Insgesamt legt solch eine Abwehrzelle an ihrem Bestimmungsort mehrere Millimeter zurück. Addiert ergibt der gesamte Weg aller neutrophilen Granulocyten im Körper am Tag den doppelten Erdumfang.

Die Blutplättchen oder Thrombocyten, die den raschen Verschluß verletzter Blutgefäße besorgen, wandern zwar nicht regelrecht, aber sie verändern mit behenden Bewegungen ähnlich wie eine kriechende Zelle ihre Gestalt, wenn sie mit ihrem Körper eine Wunde verstopfen. Solange sie im Blut treiben, sind sie ziemlich kompakte kleine Scheibchen. Am Bestimmungsort verwandeln sie sich rasch in flachere Gebilde und entwickeln zahlreiche Auswüchse; sie sehen nun fast aus wie ungleichmäßig ausgewalzte Pfannkuchen. So sind sie bestens geeignet, verletzte Blutgefäße abzudichten (Bild 4).

Im Lichtmikroskop sieht man, daß Zellen beim Kriechen Ausläufer ihrer Rinde vorstrecken und diese später wieder einschmelzen. Solche Fortsätze wirken wie der Rindenbereich (der Zellcortex) klar und homogen, anders als das Zellinnere, das von vielerlei Organellen durchsetzt ist.

Zellen, die wandern, sind durch – oftmals spezifische – Außenreize stimuliert. Weiße Blutkörperchen zum Beispiel folgen den Spuren aller möglichen Signalstoffe aus Mikroorganismen oder aus infizierten und verletzten Geweben. Auch Wachstumsfaktoren, die Zellteilungen auslösen, können eine gerichtete Zellbewegung anregen. Die Gestaltänderung der Blutplättchen verursacht der Gerinnungsfaktor Thrombin.

Die meisten dieser Signalstoffe binden sich an Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Daraufhin läuft in der Zelle eine Kette molekularer Reaktionen ab, die das Signal in Anweisungen übersetzen, darauf zu reagieren. Dieses Geschehen löst Umbauten in der Rinde aus – und die Zelle beginnt zu kriechen.

Offenbar können manche Reize solche Umgestaltungen auch veranlassen, ohne daß Membranrezeptoren eingeschaltet werden. Ein solcher Reiz sind zum Beispiel tiefe Temperaturen. Blutplättchen verändern bei Kälte irreversibel die Gestalt, was für die Aufbewahrung in Blutbanken ein Problem ist: Benötigt man sie für Transfusionen, darf man sie vorher nicht kühlen.

Wenn eine Zelle zu kriechen anfängt, fließt die Rinde scheinbar aus, und in Fortbewegungsrichtung – am Leitsaum – entsteht ein durchsichtiges, blattähnliches Füßchen, Lamellipodium genannt. Dafür, daß die Zellmembran für ein solches Füßchen wachsen kann, sind zusätzlich feine, haarförmige Ausläufer (Filopodien) zuständig, die außerdem die Aufgabe haben, einverleibte Objekte zum Zellkörper hin zu ziehen.

Die Füßchen gewinnen am Substrat Halt mittels spezieller Anheftungsproteine (Membran- oder Zell-Adhäsionsmoleküle, die mit anderen Molekülen reagieren). Dies gibt der Zelle genügend Zugkraft, um ein Stückchen vorwärts zu kommen. Dann löst der Fortsatz sich wieder vom Untergrund und schiebt sich ein wenig weiter vor. Jedoch sind all die Einzelschritte der Fortbewegung – Ausläuferbildung, Anheftung, Kontraktion und Ablösung – oft so fließend aufeinander abgestimmt, daß es aussieht, als würde die Zelle dahingleiten wie ein Wölkchen vor einem Berg.

Der Zellkörper wirkt dabei wie ein Flüssigkeitströpfchen – ein Sol –, das einer Kraft nachgibt. Stößt man das Füßchen allerdings mit einer feinen Nadel an, oder versucht man, es in eine Kanüle zu saugen, widersetzt es sich der Verformung; es verhält sich zugleich wie ein Gel, also wie eine Flüssigkeit mit elastischen Eigenschaften. Gleiches gilt für die ganze Zelle. Sie deformiert sich unter mechanischer Spannung, hat aber sozusagen ein Gedächtnis der früheren Form, die sie wieder annimmt, sobald die deformierende Kraft aussetzt. Das Verhältnis aus wirkender Spannung und gemessener Dehnung ist der Elastizitätsmodul.

Ein Gel hat noch weitere wichtige Eigenschaften. So hält es Flüssigkeit, in der seine Komponenten im Solzustand gelöst waren, in den Zwischenräumen seines molekularen Gerüsts – ähnlich wie ein Schwamm das Wasser in seinen Poren – und verzögert die Passage. Beide Eigenschaften, die Elastizität und die Wasserrückhaltefähigkeit, verdankt die Zellrinde wasserlöslichen Polymeren des Zellplasmas. Das sind dieselben kettenförmigen Proteine, die das Gerüst für die Kontraktionskräfte bei der Bewegung abgeben.

Dennis C.H. Bray vom britischen Medizinischen Forschungsrat hat ein hydrostatisches Modell für den Mechanismus der Zellbewegung entwickelt, in dem Übergänge zwischen dem Sol- und dem Gel-Zustand im Zentrum stehen: Die Zelle ist demnach praktisch ein Sol, das in einer Gelschicht eingeschlossen ist. Der stabilere Rand wird bei einer Reizung kontraktil verspannt. Weil das Zellinnere sich aber insgesamt nicht komprimieren läßt, geschieht zunächst an Formveränderungen nichts – bis die Außenschicht an der zuerst oder an der am stärksten stimulierten Stelle schwach wird; dort beult der hydrostatische Druck aus dem Inneren nun die Zellmembran sanft nach außen. Weil der Inhalt der Ausbuchtung jedoch sofort geliert und das neue Füßchen stabilisiert, wird es gleich klar durchsichtig (Bild 2). Entsteht die Störung in der Gelschicht nicht ganz außen am Leitsaum, sondern mehr an der Basis, dann zieht die Beule sich wieder in den Zellkörper zurück.

Das Modell kann das Kriechen von Zellen, soweit es sich mikroskopisch beobachten läßt, gut erklären. Wie aber ist ein solches Gel aufgebaut, und wie vermag die beteiligte Zellsubstanz sich rasch und gleichmäßig vom einen in den anderen Zustand zu verwandeln?


Parallelen zur Muskelkontraktion

Als die Erforschung dieses Phänomens in den frühen siebziger Jahren an vielen Orten begann, standen an erster Stelle der Kandidatenliste für kontraktile Elemente in der Zellrinde die Proteine Actin und Myosin. Man wußte schon seit den vierziger Jahren, daß dies die entscheidenden beweglichen Komponenten in den Skelettmuskeln sind, und hatte sie dann auch in anderen, amöboid beweglichen Zellen nachgewiesen. So macht Actin in neutrophilen Blutkörperchen 10 Prozent, in Blutplättchen sogar 20 Prozent der Proteine aus; es findet sich hauptsächlich in der Rinde und in den Lamellipodien.

Actin liegt in zwei Formen vor: als globuläres Protein und als fadenförmiges Polymer aus zwei umeinandergewundenen Strängen globulärer Untereinheiten (Bild 3 a). Myosin (in Bild 3 stark schematisiert) sieht wesentlich komplizierter aus. Dieses schwerste und längste bekannte natürliche Protein trägt auf einem langen Schaft globuläre, bewegliche Köpfchen, die sich an Actinfilamente binden und vom Rest des Moleküls abgespalten werden können; im Muskel aggregieren solche Moleküle zu Bündeln, die zwischen den Actinfilamenten liegen und daran ziehen. Wie 1963 gezeigt wurde, bindet das Myosin sich mit den Köpfchen in einem spitzen Winkel an Actin, so daß ein damit besetztes Filament im Elektronenmikroskop aussieht wie eine Harpune, weshalb das eine Ende spitz, das andere hakig oder bärtig – oder Harpunenende – genannt wird.

Bei einer Muskelkontraktion gleiten die beiden Filament-Typen in gegenläufiger Richtung aneinander entlang, wobei das Actin sich in Richtung seiner Spitze vorwärtsschiebt. Die Energie dafür liefert Adenosintriphosphat (ATP), das die Myosinköpfchen spalten. Für die Muskelkontraktion sind Calcium-Ionen wichtig, die auf zwei am Actin haftende Regulatorproteine – Troponin und Tropomyosin – wirken.

Wie sich Mitte der siebziger Jahre herausstellte, kontrolliert Calcium auch die mechanochemische Aktivität von Myosin. Es steuert in nichtmuskulären Zellen indirekt die Phosphorylierung (Anbindung von Phosphatgruppen) an die Myosinköpfchen, die daraufhin Zugkraft auf das Actin ausüben können. Andere Enzyme inaktivieren Myosin durch Entzug des Phosphats.

All diese Befunde ließen uns damals vermuten, daß kriechende Zellen in Reaktion auf einen Stimulus das Actin-Netzwerk in der Rinde kontrahieren, und zwar indem der Calciumspiegel sich ändert und Myosin aktiviert wird.

Meine ersten eigenen Arbeiten auf diesem Gebiet galten der Struktur des Actingels. Ich begann damit an der Medizinischen Fakultät der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) 1974 zusammen mit John H. Hartwig. Als erstes entdeckten wir, daß beim Verrühren eines Extrakts weißer Blutkörperchen unter bestimmten Bedingungen große Mengen Actin ausfielen – zusammen mit einem unbekannten Protein mit hohem Molekulargewicht, das wir reinigten und Actin-Bindungsprotein (ABP) nannten.

Etwa zur gleichen Zeit berichtete Robert E. Kane von der Universität von Hawaii in Manoa, daß flüssige Extrakte von Seeigeleiern nach einiger Zeit gelieren. Die so gewonnene Substanz war angefüllt mit Actinfilamenten. Wie sich später herausstellte, verhalten Extrakte ganz verschiedener Zelltypen sich ähnlich; und zusammen mit viel Actin fanden sich immer geringe Mengen des Actin-Bindungsproteins, so daß wir dieses vorläufig für das Gelieren verantwortlich machten.

Tatsächlich gelang es uns nachzuweisen, daß das ABP die Elastizität einer Actinlösung abrupt zu erhöhen vermag: Schon bei lediglich einem Molekül auf 1000 Actinglobuline, die als Filamente vorliegen, wird die Flüssigkeit gelatinöser. Kein anderes actinbindendes Molekül war auch nur entfernt so wirksam.

Wir überlegten nun, wie die Gelbildung zustande kommt. Wenn man viele steife Stäbchen in einen Behälter gibt und diesen kräfig schüttelt, werden sie sich aus energetischen Gründen von alleine zu parallelen Bündeln formieren. Ähnliches, meinten wir, würde mit sich selbst überlassenen Actinfilamenten in der Zellrinde geschehen, wobei verschiedene Zellproteine dem Skelett durch Querversteifungen zusätzlich Halt geben könnten. Solche fest verknüpften parallelen Streben aus Actin verleihen wohl den schon erwähnten feinen Filopodien ihre Zugfestigkeit. Zudem können quervernetzte Actinbündel mit Zell-Adhäsionsmolekülen Komplexe bilden, Adhäsionsplaques, die den Halt eines Zellfortsatzes auf dem Substrat verstärken. Zum Aufbau eines gleichmäßigen Gels in einem Lamellipodium wäre diese Struktur aber wohl nicht geeignet.

Das würde jedoch einem Protein leicht gelingen, das die Filamente zwänge, sich in gleichförmigen Maschen rechtwinklig dreidimensional zu vernetzen. Da unser Bindungsprotein so stark gelierend wirkte, mußte es gerade das können (Bild 5 links). Als wir unser Konzept 1981 im Elektronenmikroskop überprüfen konnten, fanden wir es bestätigt (Bild 5, Photo). Darauf werde ich gleich noch genauer zurückkommen.


Platzanweiser im Actingerüst

Weiteren Aufschluß über die Eigenschaften des Bindungsproteins erbrachte seine Struktur. Es handelt sich um ein sehr großes, fadenförmiges Molekül, das sich mit seinesgleichen zu einem Strang doppelter Länge verbindet (Bild 5 links). Das eine Ende jeder Einheit koppelt sich an das Actin, das andere tendiert dazu, sich an den gleichen Part eines Geschwister-Moleküls anzulagern, so daß beide einen großen Winkel bilden. Ansonsten enthalten die Untereinheiten entlang des Stranges verschiedentlich sich überlappende Abschnitte, die ihnen mehr Festigkeit geben und sie befähigen, die vernetzten Actinfilamente auf Abstand zu halten.

Paul A. Janmey von der Harvard-Universität hat die mechanischen Eigenschaften von Gelen aus diesen Bausteinen gemessen. Wird das Actingerüst von ABP zusammengehalten, ist es außerordentlich stark und elastisch; die üblichen Konzentrationen beider Komponenten in Zellen dürften leicht genügen, die Steifigkeit eines vorgestreckten Lamellipodiums zu erklären. Schon bei geringer Konzentration von ABP vermag ein solches Gel zudem Wasser zurückzuhalten, wie Tadanao Ito von der Universität Kioto (Japan) während eines Aufenthalts bei uns nachwies. Eine weitere Bestärkung für die vermutete Funktion des Bindungsproteins war, daß es in weißen Blutkörperchen hauptsächlich in der Rinde konzentriert istt; dies wies ein anderer Gastforscher in unserem Labor, Olle I. Stendahl von der Medizinischen Fakultät der Universität Linköping (Schweden), mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern nach.

Um mehr über die mikroskopische Struktur von ABP-vernetzten Actingelen zu erfahren, untersuchte Hartwig sie mit einer hochauflösenden Technik. Dabei läßt man die Probe in flüssigem Helium schockgefrieren, damit die Zellstrukturen erhalten bleiben. Das mitgefrorene Wasser entfernt man anschließend durch Sublimation im Vakuum. Der Rest wird mit Edelmetallen bedampft, so daß die Texturen im Elektronenmikroskop sichtbar sind.

Wie erwähnt, ließ sich erkennen, daß sich die Actinfäden – zumindest im Reagenzglas – in Gegenwart von ABP mehr oder weniger rechtwinklig und regelmäßig zu einem Netzwerk arrangieren, wobei die Ausrichtung der Filamentspitzen zufällig ist. Durchschnittlich waren die Actinfäden einen Mikrometer lang, und Seitenäste zweigten etwa alle hundert Nanometer (millionstel Millimeter) ab. Das Netzwerk in Füßchen weißer Blutkörperchen sah dann fast genauso aus.

Die ABP-Moleküle sitzen tatsächlich an den Kreuzungsstellen der Actinfilamente und ragen in beide Arme hinein. In den Filopodien dagegen sind, wie gesagt, alle Actinfilamente parallel angeordnet und weisen mit dem bärtigen Ende vom Zellkörper weg.

Ob ABP für das Gerüst der Lamellipodien tatsächlich so wichtig ist wie wir glaubten, konnten wir am besten an Zellen prüfen, die kein Bindungsprotein haben. Unsere Mitarbeiterin C. Casey Cunningham leitete eine Untersuchung über die Proteinzusammensetzung von Zellen aus sechs Kulturen von Melanomen, dem aggressivsten Hautkrebs. Drei der Zell-Linien enthielten ABP, die drei anderen nicht. Erstere verhielten sich genauso wie kriechende Zellen sonst: Sie streckten Fortsätze aus und wanderten auf Signalstoffe zu. Die anderen konnten zwar normale Filopodien bilden; ansonsten aber schien ihre Rinde instabil zu sein, denn Lamellipodien sandten sie nicht aus, und sie schoben sich bei Stimulation auch nicht vorwärts. Es sah aus, als sei ihnen jede Koordination unmöglich: Überall kamen Bläschen zum Vorschein und verschwanden gleich wieder (Bild 6). Auch normale Zellen machen das gelegentlich, aber nie ununterbrochen.

Wir vermuteten, daß das Gel in der Rinde defekter Melanomzellen zu schwach sei, um den Innendruck bei einer Kontraktion zu beherrschen und in gelenkte Bahnen zu zwingen. Das Resultat ist ein offenbar unkontrolliertes Wabern oder Blubbern der Oberfläche. Die Actinfilamente können zwar in solch unbeständigen Bläschen kein gleichmäßiges Netz bilden, wie es für ein Gel Voraussetzung wäre. Doch entsteht zumindest eine genügend kohärente Masse, daß die Vorstülpung sich wieder einziehen läßt. Wir verpflanzten nun in diese Zellen ein aktives Gen, das für ABP-Einheiten codiert, und erreichten damit tatsächlich, daß die Blasenbildung aufhörte oder zumindest deutlich nachließ und die Zellen zu kriechen begannen (Bild 6).


Die Baukolonne

Damit eine Zelle wandern kann, muß das Actingel sich umorganisieren: Das Gerüst ist in Bewegungsrichtung hinten ab- und vorne anzubauen (Bild 8). In der Regel ist etwa die Hälfte des Actins einer ruhenden Zelle nicht polymerisiert; die Moleküle sind dann im Sol frei beweglich. Filamente entstehen nur – in Reaktion auf passende Signale – an bestimmten Orten. Ihre Menge, also der Anteil polymerisierten Actins, kann in einer kriechenden Zelle ungefähr konstant bleiben, denn der Aufbau an einer Stelle pflegt sich durch den Abbau an anderer auszugleichen.

Zur spontanen Polymerisation, so fand Fumio Oosawa von der Universität Nagoya (Japan) heraus, müssen sich zwei oder drei Globuline zu einem Kern – gleichsam einem Kristallisationskeim – zusammenschließen. Dies geschieht nicht allzuoft; ist ein Keim aber erst vorhanden, dann entsteht daran rasch ein Filament, indem sich an beiden Seiten weitere Globuline anlagern. Allerdings wächst es am bärtigen Ende wesentlich schneller – deshalb nennt man dieses Plus-, das andere Minus-Ende (Bild 3 a).

Für den Ab- wie für den Neuaufbau sorgen zwei generelle Gruppen von Kontrollproteinen. Die eine – von ihr kennt man drei Unterklassen – bindet sich hauptsächlich oder nur an die Actinuntereinheiten. Vivianne T. Nachmias und Daniel Safer von der Universität von Pennsylvanien in Philadelphia stellten fest, daß diese Proteine die spontane Keimbildung des Actins wie auch die Anlagerung weiterer Untereinheiten am spitzen Ende eines Filaments verhindern. Zudem verlangsamen sie das Anwachsen des hakigen Endes, unterbinden diesen Vorgang jedoch nicht gänzlich; dort ist die zweite Gruppe zuständig.

Das erste dieser Proteine fanden Helen Lu Yin, die jetzt an der Universität von Texas in Dallas arbeitet, und ich 1979 in Extrakten weißer Blutkörperchen. Bei einem Calciumspiegel, wie er in stimulierten kriechenden Zellen herrscht, legt es sich über das bärtige Ende wie eine schützende Kappe, was die Anlagerung weiterer Einheiten unmöglich macht. Es löst aber auch die Bindungen der Globuline im Filament, zerlegt dieses also und umfängt auch das neuerlich freiliegende hakige Ende (Bild 7 oben). Weil es die Actinfilamente drastisch verkürzt, vermag es aus dem Gel ein Sol zu machen – wir nennen es deswegen Gelsolin.

In der Folge entdeckten etliche Arbeitsgruppen eine Reihe weiterer Proteine, die Actinfilamente zerlegen, deren bärtiges Ende blockieren oder auch beides zugleich machen. Man ordnet sie inzwischen ebenfalls drei Unterklassen zu: Die der ersten – einer weitläufigen Familie mit einer ähnlichen Grundstruktur wie Gelsolin, das dazugehört – sitzen dem Ende kappenartig auf, und einige zerschneiden auch das Filament. Die der zweiten – man nennt sie gewöhnlich Cap-Z-Proteine – sind anders gebaut; Kontrollsubstanzen dieser Art wurden zuerst in Amöben und in Blutplättchen gefunden. Ein Protein der dritten Unterklasse wurde wiederum zunächst in Hirngewebe entdeckt; diese mittlerweile vier Verbindungen – ADF, Cofilin, Depactin und Actophorin – sind häufig und wirken auf Actinfilamente schwach zersetzend.

Die Mitglieder der Gelsolin-Familie lassen sich durch Calcium aktivieren. Allerdings bewirkt dessen Entzug nicht, daß sie das Actin wieder loslassen. Lange wußte man nicht, wie die Bindung sich wieder löst, bis Janmey und ich 1987 von einer Beobachtung der schwedischen Forscher Ingrid Lassing und Uno Lindberg von der Universität Stockholm erfuhren: Polyphosphoinositide -Phospholipide, die zur Zellmembran gehören und an der Signalumwandlung in der Zelle beteiligt sind – setzen die Affinität von Profilin zu globulärem Actin herab. (Profilin, das Lindberg 1977 entdeckt hatte, isoliert durch seine Anbindung Actinglobuline und verhindert dadurch die Keimbildung für neue Filamente.) Wir konnten zeigen, daß diese Phospholipide Gelsolin in zweierlei Weise stoppen, indem sie nämlich gezielt seine Abbauaktivität an den Fasern beenden und indem sie es veranlassen, das Filamentende loszulassen (Bild 7). Wie inzwischen Experimente auf der ganzen Welt ergeben haben, blockieren die Phospholipide die Bindungsaktivität nahezu aller solcher Proteine, die Actinfilamente zerlegen und sich ihrem bärtigen Ende aufsetzen.


Wie das Puzzle sich zusammenfügt

Aus alldem läßt sich somit ein Modell entwerfen, welches das Kriechen von Zellen erklärt und dabei sowohl die Signalumwandlung bei einem Reiz als auch die Umgestaltung des Actingels in der Zellrinde einbezieht (Bild 8). Wird eine Zelle zum Beispiel durch einen Signalstoff stimuliert, beginnen Enzyme in der Zellmembran Polyphosphoinositide zu synthetisieren beziehungsweise an anderer Stelle zu zerstören. Als Folge des Abbaus wird unter anderem Calcium ins Sol der Zelle freigesetzt (es ist in membranumhüllten Vesikeln gespeichert), das nun jene Mitglieder der Gelsolin-Familie aktiviert, die sich auf Actinfilament-Enden aufzusetzen pflegen. Diese Ereigniskette läßt also das Actingerüst zerfallen. Umgekehrt bewirken neu synthetisierte Phospholipide, daß sich die Kappen von Filamentstücken nahe der Zellmembran lösen, so daß die wieder wachsen können. Wie effektiv dieses Entdeckeln ist, hängt vom chemischen Milieu ab. Im Falle der Blutplättchen wäre denkbar, daß bei Kälte Phasenänderungen in der Zellmembran erfolgen, die Phospholipide sich für immer anders orientieren und die Actinmasse sozusagen irreversibel geliert.

Bislang haben wir kaum etwas über die Mitwirkung von Myosin gesagt. Damit eine Zelle kriecht, genügt es nicht, daß sich das Actingel umorganisiert. Es muß sich auch kontrahieren, und dazu muß Myosin am Actin ziehen (wie in Bild 3 rechts). Wie erwähnt, spielt dabei Calcium mit, indem es Myosin phosphoryliert, ihm also Energie bereitstellt, und zugleich das Actingerüst stellenweise – durch Aktivierung von Gelsolin und verwandten Abtrennungsproteinen – auflöst, denn das Gel muß sich ja so weit verflüssigen, daß die Actinfasern bewegt werden können; andererseits darf es auch wieder nicht zerfließen.

D. Lansing Taylor, der jetzt an der Carnegie-Mellon-Universität in Pittsburgh (Pennsylvania) arbeitet, nennt diese Koordination "Solbildungs-Kontraktions-Kopplung". Er und seine Mitarbeiter haben die Plausibilität des Konzeptes mit Mischungen aus Actinfilamenten, Actin-Bindungsprotein und Gelsolin überprüft. Wenn Actinglobuline und kurze, im Wachsen durch Proteinkappen blockierte Filamente im sich verflüssigenden Gel freikommen, sickern sie durch das Lamellipodium zur vorderen Membran. Dort befreien Polyphosphoinositide die Filamente von ihren Kappen, so daß sie wieder wachsen können. Die langen Fäden werden dann vorn dem Gerüst angebaut (Bild 8).

An lebenden Zellen haben verschiedene Forschergruppen stützende Belege dafür gefunden. Fluoreszenzmarkiertes Actin baute sich in kriechenden Fibroblasten (noch nicht ausdifferenzierten Bindegewebszellen) in Filamente am Leitsaum ein; und in Zellen, die mit Signalstoffen stimuliert wurden, verloren die blockierten bärtigen Enden der Actinfilamente die Kappen. Ein anderer stimmiger Befund war, daß der Zerfall von Actinfilamenten in der Rinde von Blutplättchen vom Anstieg der intrazellulären Calcium-Ionenkonzentration abhängt. Somit scheinen auf jeden Fall Proteine aus der Gelsolin-Gruppe bei der Zellfortbewegung mitzuwirken.

Die bisher ausführlich beschriebenen Mechanismen – unter Beteiligung von Calcium, Phospholipiden und actinbindenden Proteinen – sind sicherlich nicht die einzigen beteiligten. Die Actinglobuline binden ja auch, wie erwähnt, ATP und gleichfalls ADP (Adenosindiphosphat, das durch Abspalten einer Phosphatgruppe von ATP entsteht). Auch ADP könnte noch Energie bereitstellen, aber ATP-besetzte Untereinheiten polymerisieren besser. Actinglobuline, die sich vom Filament lösen, tauschen das ADP wieder gegen das energiereichere ATP aus. Marie-France Carlier vom Laboratorium des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Gif-sur-Yvette und andere unterbreiteten die Idee, die Bindung zwischen Actin und dem Energielieferanten wie auch der Tausch würden von Profilin katalysiert (das die Untereinheiten abschirmt). Profilin hätte so Einfluß auf die Fähigkeit des Actins zu polymerisieren, aber auch auf die Struktur der Filamente und auf andere regulatorische Proteine.

Schließlich ist zu bedenken: So weit verbreitet das Kriechen von Zellen mit ausgesandten Füßchen auch ist – nicht alle zellulären Oberflächenbewegungen beruhen auf dem Umbau von Actingelen. Timothy J. Mitchison von der Universität von Kalifornien in San Francisco vermutet, daß nach einer Zellteilung, wenn die Tochterzellen auseinanderweichen, eine eigene Klasse einköpfiger Myosinmoleküle ein Actingerüst zur Zellperipherie zieht. Sie könnten an Filopodien mit Actinbündeln wie an Schienen entlangwandern. Entdeckt haben diese besonderen Myosine Thomas D. Pollard von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore (Maryland) und Edward D. Korn von den amerikanischen Nationalen Gesundheitsinstituten in Bethesda (Maryland).

Filopodien scheinen nach einem anderen Prinzip zu entstehen als Lamellipodien. Daß sich dabei Actin zusammenlagert, hat als erster in den frühen siebziger Jahren Lewis G. Tilney von der Universität von Pennsylvanien nachgewiesen, und als Mechanismus für das Ausstrecken dieser feinen Ausläufer hat George F. Oster von der Universität von Kalifornien in Berkeley einen Vorgang beschrieben, den er in Anlehnung an die Brownsche Molekularbewegung "Brownsche Sperrklinke" nennt. Nach dieser Vorstellung würden thermische Fluktuationen in den Zellmembranen genutzt, um die Zusammenlagerung des Actins zu steuern und die Austreibung eines Filopodiums zu beschleunigen.


Hilfe in der klinischen Praxis

Der Erkenntnisgewinn aus solchen Forschungen ist durchaus von allgemeinem Interesse. Zum Beispiel wäre es medizinisch sehr bedeutsam, wenn es gelänge, kriechende Zellen anzutreiben oder sich langsamer bewegen zu lassen. Vielleicht ließe sich ihr Verhalten mit veränderten Konzentrationen von Gelsolin und anderen regulierenden Proteinen anders einstellen.

Diese Idee verfolgten David J. Kwiatkowski von der Harvard-Universität, Casey Cunningham und ich an von uns eingerichteten Zellkulturen von gentechnisch veränderten Mäusefibroblasten: Sie enthielten die genetische Information für menschliches Gelsolin und produzierten es – außer den üblichen Mengen Maus-Gelsolin – in unterschiedlichen Quantitäten. Wie unsere Tests zeigten, bewegten sie sich um so schneller, je mehr davon vorhanden war.

Zumindest unter Laborbedingungen können also solche Eingriffe in die Zellmaschinerie Erfolg haben. Es ist nicht schwer, sich gezielte Anwendungen vorzustellen. So ließe sich durch Forcierung der Bewegung von Fibroblasten vielleicht die Wundheilung beschleunigen. Umgekehrt könnte man durch ein Verlangsamen oder Abstoppen womöglich Gewebezerstörungen durch weiße Blutkörperchen bei Entzündungen verhindern, ebenso eine drohende arterielle Thrombose mit Infarktgefahr durch Blutplättchen.

Eine mögliche Anwendung vielleicht schon in allernächster Zukunft bei der bisher schwer behandelbaren Mucoviscidose könnte auf Forschungen von 1979 zurückgehen. Unabhängig voneinander entdeckten damals Astrid Fagraeus und René Norberg an der Universität Uppsala (Schweden) sowie Christine Chaponnier und Giulio Gabbiani von der Universität Genua (Italien), daß auch im Blutplasma Stoffe vorhanden sind, die Actinfilamente zersetzen. Wie andere Forscher herausfanden, wirken in diesem Falle zwei Plasmaproteine zusammen: Gc-Globulin (ein genetisch polymorphes Protein, das sich an Actin bindet) und eine sekretierte Form von Gelsolin.

Nach einer Verletzung enthält das Blut nämlich oft gelöstes Actin; auch sind die Serumspiegel des Gc-Globulins und des Gelsolins dann auffallend erniedrigt. Nach Stuart E. Lind von der Harvard-Universität und John G. Haddad von der Universität von Pennsylvanien kann extrazelluläres Actin für Gewebe toxisch – sogar unter Umständen für den Patienten tödlich – sein, weil es komplex in die Blutgerinnung eingreift. Die beiden Plasmaproteine könnten dies als Teil eines Actin-Abfangsystems verhindern.

Seit kurzem vermuten wir, daß eine ähnliche Wechselwirkung zwischen Actin und einem von ihm eingefangenen Stoff bei der Mucoviscidose mitspielen könnte. Die Prozesse bei dieser unter Europäern häufigsten Erbkrankheit durchschaut man bisher kaum. Jedenfalls funktioniert wegen eines genetischen Defekts ein Regulatorprotein des Chloridtransports an Zellmembranen nicht, so daß exkretorische Zellen abnorme Mengen konzentrierten Sekrets absondern – auch in der Lunge, die dadurch zum Herd für Infektionen und Entzündungen wird. Bei den Abwehranstrengungen des Körpers ist sie bald voller weißer Blutkörperchen. Wenn diese sich zersetzen, entsteht eine zähe, eitrige Masse, die den Patienten zu ersticken droht. (Zur täglichen Routine gehört darum, den Schleim in aufwendiger Prozedur abzuhusten.)

Bisher hat man die langen DNA-Fäden aus den Zellkernen der weißen Blutkörperchen für die feste Konsistenz des Sputums verantwortlich gemacht. Deswegen probiert man seit kurzem, ein gentechnisch verändertes DNA-abbauendes Enzym (Desoxyribonuclease I oder DNAse I) anzuwenden. Im Reagenzglas wird der Lungenschleim nachweislich flüssiger, und nach bisherigen Beobachtungen kann sich bei Inhalation des Wirkstoffs auch die Lungenfunktion bessern. Das ließ vermuten, daß er tatsächlich die hinderliche DNA in kurze Stücke spaltet.

Aber unsere Forschungsergebnisse deuten auf einen völlig anderen Mechanismus hin. Lindberg hatte schon 1963 ein damals nicht identifiziertes Protein isoliert, das die natürliche Variante der DNAse I hemmt. Zehn Jahre später, während eines Aufenthalts am Cold-Spring-Harbor-Laboratorium im gleichnamigen Ort des US-Bundesstaates New York, bestimmten er und Elias Lazarides es als Actin. Nun bindet sich DNAse I, ähnlich Gc-Globulin, fest an Actin-Untereinheiten; bei ausreichender Konzentration kann sie also durchaus zum Kürzerwerden dieser Polymere beitragen – indem sie nämlich verhindert, daß zerfallende Filamente wieder wachsen.

Wir fanden erwartungsgemäß eine beträchtliche Menge Actin im Sputum von Mucoviscidose-Patienten. Dies war nicht überraschend, denn die weißen Blutkörperchen enthalten davon wohl etwa ebensoviel wie DNA. Unsere Vermutung ist, daß dieses Actin die natürliche DNAse I abfängt, so daß nicht mehr genügend Enzym zum Abbau der DNA-Fäden verfügbar ist; es hemmt also praktisch die DNAse-Funktion.

Auch mit Plasma-Gelsolin ließ sich die Zähigkeit des Sputums herabsetzen. Anscheinend ist es sogar wirksamer als die DNAse (Bild 9).

Da DNAse I und Gelsolin auf verschiedene Weise eingreifen, sollte man probieren, ob eine Kombination beider Stoffe günstig wirkt. Als normale extrazelluläre Komponente im Körper müßte Gelsolin in den Atemwegen eigentlich ungiftig sein und dürfte keine Immunreaktion provozieren.

Falls es sich bewährt, hätten die Forschungen über die Mechanismen der Zellbewegung die Behandlung von Mucoviscidose entscheidend vorangebracht. Ohne so trockene Grundlagenforschung wie die hier vorgestellte über das Gelieren von Actin in kriechenden Zellen wären viele solcher medizinischen Fortschritte nie zu erreichen.

Literaturhinweise

- The Extracellular Actin-Scavenger System and Actin Toxicity. Von W.M. Lee und R.M. Galbraith in: New England Journal of Medicine, Band 326, Heft 20, Seiten 1335 bis 1341, 14. Mai 1992.

– Life at the Leading Edge: The Formation of Cell Protrusions. Von J. Condeelis in: Annual Review of Cell Biology, Band 9, Seiten 411 bis 444, 1993.

– On the Crawling of Animal Cells. Von Thomas P. Stossel in: Science, Band 260, Seiten 1086 bis 1094, 21. Mai 1993.

– Phosphoinositides and Calcium as Regulators of Cellular Actin Assembly and Disassembly. Von Paul A. Janmey in: Annual Review of Physiology, Band 56, Seiten 169 bis 191, 1994.

– Reduction in Viscosity of Cystic Fibrosis Sputum in Vitro by Gelsolin. Von C.A. Vasconcellos und anderen in: Science, Band 263, Seiten 969 bis 971, 18. Februar 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1994, Seite 42
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH