News: Wenn zarte Kräfte ungleich walten
Viele Zellen teilen sich nicht symmetrisch, sondern in eine kleine und eine große Tochterzelle. Forscher aus Deutschland haben jetzt die physikalischen Kräfte vermessen, die dieser asymmetrischen Zellteilung zugrunde liegen, und die daran beteiligten Proteine gezählt.
© Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (Ausschnitt)
Leben beruht wesentlich auf der Vermehrung von Zellen – der Zellteilung, auch Mitose genannt. Die Zellen durchlaufen dabei eine regelmäßige Abfolge von Zuständen, die sich von Generation zu Generation wiederholen. Ein korrekter Ablauf der Zellteilung ist entscheidend für das gesunde Überleben eines jeden Organismus.
Eine wichtige Rolle spielt dabei der Spindelapparat: eine bipolare, sternförmige Struktur, die durch die Centrosomen organisiert wird, von denen nach allen Seiten der Zellmembran Faserstrukturen ausstrahlen. Doch zugleich ist der Spindelapparat eine molekulare Maschine, die das Genom bei der Zellteilung mit beeindruckender Präzision auf die Tochterzellen verteilt.
Die Mitose wird schon seit den frühen achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht, sodass wir heute ein detailliertes, wenn auch immer noch unvollständiges Bild von der Dynamik und Mechanik der Spindel haben – ein Gefühl für ihre Antriebs- und Regulationsmechanismen und eine lange Liste beteiligter Proteine. Noch aber sind wesentliche Fragen der Mitose unverstanden, darunter, durch welche Kräfte und Mechanismen die Spindel in der Zelle bewegt und genauestens positioniert wird. Teilt sich eine Zelle, so geschieht das nicht immer als ein Aufsplitten in zwei gleiche Hälften. Vielmehr sind ungleich große Tochterzellen als Ergebnis einer Zellteilung häufig gerade die Vorbedingung dafür, dass sich während der Entwicklung vom Ei zum Organismus unterschiedliche Zelltypen herausbilden können. So ist es ein großer Unterschied, ob sich eine Ausgangszelle zu einer Leber- oder einer Hirnzelle entwickeln soll.
Bekannt ist heute: Bei einer ungleichen Zellteilung befindet sich der Spindelapparat, also jene filigrane Struktur, die bei der Mitose die Chromosomen voneinander trennt, im Moment kurz vor der Aufspaltung nicht mehr im Zellmittelpunkt. Vielmehr verlagern sich die beiden Zellpole, und der Zelläquator gerät gleichsam in eine Schieflage. Die entstehende Teilungsfurche zweiteilt dann die "verrutschte" Spindel, und als Ergebnis entstehen zwei Tochterzellen ungleicher Größe.
Die Frage ist also, durch welche Kräfte die beiden Pole und damit die Teilungsspindel in der Zelle verschoben werden. Um das herauszufinden, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und des European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg die Kräfteverteilung an den beiden Spindelpolen und den ihnen zugeordneten Astern, also den aus Mikrotubuli gebildeten sternförmigen Faserstrukturen, genauestens unter die Lupe genommen.
Die Wissenschaftler um Stephan Grill arbeiteten dazu an einzelligen Embryonen des Fadenwurms Caenorhabditis elegans. Es gelang ihnen, die räumliche Anordnung der Kräfte, die von den sternförmigen Mikrotubuli auf die Spindelpole ausgeübt werden, mit einem Trick genauestens zu messen. Dazu verwendeten die Wissenschaftler ein spezielles Verfahren, das so genannte OICD (optically induced centrosome disintegration): Bei dieser Prozedur wird schlichtweg das Centrosom mit einem UV-Laser "zerschossen", sodass die unter starker Spannung stehenden Faserstrukturen Richtung Zellmembran auseinander schnellen.
Den Forschern gelang es, die Geschwindigkeiten der einzelnen Mikrotubuli-Fragmente exakt zu messen. Eine weitergehende statistische Auswertung der Varianz von Fragmentgeschwindigkeiten erlaubte biophysikalische Schlussfolgerungen. Danach entsteht das Kräfteungleichgewicht dadurch, dass auf der einen Seite der Spindel mehr molekulare Motoren, nämlich etwa 25, an den Mikrotubuli ziehen als an der anderen Seite, wo nur etwa 15 Proteine arbeiten. Dadurch kommt es zu der erwähnten "Schieflage" und der anschließenden asymmetrischen Teilung.
Mit molekularbiologischen Methoden fanden die Forscher zudem heraus, dass bei diesem Vorgang die so genannte alpha-Einheit der G-Proteine (G-alpha) eine entscheidende Rolle spielt: Schaltet man G-alpha aus, wirken keinerlei Kräfte mehr auf die Spindel. G-alpha ist also wesentlich für die Aktivierung der Motoren verantwortlich, die dann Zellteilungsspindel aus der Mitte ziehen und damit eine ungleiche Zellteilung bewirken.
"Die Zellteilung ist ein sehr komplizierter Prozess, der entweder zu identischen oder sehr ungleichen Tochterzellen führt", meint Grill. "Wenn wir erst einmal die genauen Zahlen und Daten der beteiligten Proteine haben, können wir unsere mathematischen Modelle fein justieren und dazu benutzen, die exakte Funktion verschiedener andere Moleküle, die an diesem Prozess beteiligt sind, zu untersuchen."
Eine wichtige Rolle spielt dabei der Spindelapparat: eine bipolare, sternförmige Struktur, die durch die Centrosomen organisiert wird, von denen nach allen Seiten der Zellmembran Faserstrukturen ausstrahlen. Doch zugleich ist der Spindelapparat eine molekulare Maschine, die das Genom bei der Zellteilung mit beeindruckender Präzision auf die Tochterzellen verteilt.
Die Mitose wird schon seit den frühen achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht, sodass wir heute ein detailliertes, wenn auch immer noch unvollständiges Bild von der Dynamik und Mechanik der Spindel haben – ein Gefühl für ihre Antriebs- und Regulationsmechanismen und eine lange Liste beteiligter Proteine. Noch aber sind wesentliche Fragen der Mitose unverstanden, darunter, durch welche Kräfte und Mechanismen die Spindel in der Zelle bewegt und genauestens positioniert wird. Teilt sich eine Zelle, so geschieht das nicht immer als ein Aufsplitten in zwei gleiche Hälften. Vielmehr sind ungleich große Tochterzellen als Ergebnis einer Zellteilung häufig gerade die Vorbedingung dafür, dass sich während der Entwicklung vom Ei zum Organismus unterschiedliche Zelltypen herausbilden können. So ist es ein großer Unterschied, ob sich eine Ausgangszelle zu einer Leber- oder einer Hirnzelle entwickeln soll.
Bekannt ist heute: Bei einer ungleichen Zellteilung befindet sich der Spindelapparat, also jene filigrane Struktur, die bei der Mitose die Chromosomen voneinander trennt, im Moment kurz vor der Aufspaltung nicht mehr im Zellmittelpunkt. Vielmehr verlagern sich die beiden Zellpole, und der Zelläquator gerät gleichsam in eine Schieflage. Die entstehende Teilungsfurche zweiteilt dann die "verrutschte" Spindel, und als Ergebnis entstehen zwei Tochterzellen ungleicher Größe.
Die Frage ist also, durch welche Kräfte die beiden Pole und damit die Teilungsspindel in der Zelle verschoben werden. Um das herauszufinden, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden und des European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg die Kräfteverteilung an den beiden Spindelpolen und den ihnen zugeordneten Astern, also den aus Mikrotubuli gebildeten sternförmigen Faserstrukturen, genauestens unter die Lupe genommen.
Die Wissenschaftler um Stephan Grill arbeiteten dazu an einzelligen Embryonen des Fadenwurms Caenorhabditis elegans. Es gelang ihnen, die räumliche Anordnung der Kräfte, die von den sternförmigen Mikrotubuli auf die Spindelpole ausgeübt werden, mit einem Trick genauestens zu messen. Dazu verwendeten die Wissenschaftler ein spezielles Verfahren, das so genannte OICD (optically induced centrosome disintegration): Bei dieser Prozedur wird schlichtweg das Centrosom mit einem UV-Laser "zerschossen", sodass die unter starker Spannung stehenden Faserstrukturen Richtung Zellmembran auseinander schnellen.
Den Forschern gelang es, die Geschwindigkeiten der einzelnen Mikrotubuli-Fragmente exakt zu messen. Eine weitergehende statistische Auswertung der Varianz von Fragmentgeschwindigkeiten erlaubte biophysikalische Schlussfolgerungen. Danach entsteht das Kräfteungleichgewicht dadurch, dass auf der einen Seite der Spindel mehr molekulare Motoren, nämlich etwa 25, an den Mikrotubuli ziehen als an der anderen Seite, wo nur etwa 15 Proteine arbeiten. Dadurch kommt es zu der erwähnten "Schieflage" und der anschließenden asymmetrischen Teilung.
Mit molekularbiologischen Methoden fanden die Forscher zudem heraus, dass bei diesem Vorgang die so genannte alpha-Einheit der G-Proteine (G-alpha) eine entscheidende Rolle spielt: Schaltet man G-alpha aus, wirken keinerlei Kräfte mehr auf die Spindel. G-alpha ist also wesentlich für die Aktivierung der Motoren verantwortlich, die dann Zellteilungsspindel aus der Mitte ziehen und damit eine ungleiche Zellteilung bewirken.
"Die Zellteilung ist ein sehr komplizierter Prozess, der entweder zu identischen oder sehr ungleichen Tochterzellen führt", meint Grill. "Wenn wir erst einmal die genauen Zahlen und Daten der beteiligten Proteine haben, können wir unsere mathematischen Modelle fein justieren und dazu benutzen, die exakte Funktion verschiedener andere Moleküle, die an diesem Prozess beteiligt sind, zu untersuchen."
© Max-Planck-Gesellschaft
Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine vorwiegend von Bund und Ländern finanzierte Einrichtung der Grundlagenforschung. Sie betreibt rund achtzig Max-Planck-Institute.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.