Nucleation and generation of actin networks in vivo

Die Fähigkeit motiler Zellen zu migrieren basiert auf dem Prinzip der Ausbildung von fächerförmigen (Lamellipodien) oder fingerförmigen (Filopodien) Erweiterungen des Zytoplasmas. Lamellipodien und Filopodien werden durch Aktin Filamente aufgebaut, welche als Netzwerk im Lamellipodium und als Bündel im Filopodium organisiert sind. Die Erweiterung und somit Fortbewegung der Zelle ergibt sich durch Polymerisation von Aktin Filamenten, die an der Zellmembran generiert wurden. Dieses Projekt soll die Rolle verschiedener Aktin Modulatoren klären, die im Zusammenhang mit der strukturellen Ausbildung des Lamellipodiums stehen. Im Speziellen werden wir den Einfluss dieser Faktoren mittels neuer Technologien in der Elektronen Mikroskopie (Elektronen Tomographie), die uns eine dreidimensionale Darstellung der Aktin Filamente in situ ermöglichen, untersuchen. Die Kombination aus Elektronen Tomographie und korrelativer Lichtmikroskopie lebender Zellen ermöglicht es uns durch gezieltes manipulieren bestimmter Zielproteine, Struktur und Funktion innerhalb der Zelle in Zusammenhang zu bringen. Die Ergebnisse sollen neues Licht auf die Prozesse der Aktin Filament Entstehung und Ausbildung im Bezug auf deren Einfluss für die Zellbewegung werfen.

Ohne Bewegung gibt es kein Leben, dies gilt auf allen Ebenen metazoischen Lebens, angefangen von einzelnen Zellen bis hin zum gesamten Organismus. Während der Embryonalentwicklung migrieren einzelne Zellen von den Keimblättern ab und legen dadurch den Körperbauplan fest. Im adulten Gewebe spielen migrierende Zellen eine Hauptrolle in der Immunabwehr und in der Wundheilung. Pathologische Vorgänge, wie die Ausbreitung von Tumoren oder Atherosklerose, beruhen ebenfalls auf der Zellmigration. Das Protein Actin ist an zentraler Stelle an der Zellfortbewegung beteiligt. Actin polymerisiert zu Filamenten, die von Partnerproteinen reguliert werden und Strukturen herstellen, die zelluläre Bestandteile sowohl ziehen als auch schieben können, zwei Prozesse die beide für Zellfortbewegung benötigt werden. Das Hauptziel unseres Projektes war es, herauszufinden, wie Zellen Actinfilamente zur Fortbewegung nutzen. Signifikante Fortschritte wurden erzielt durch Forschungen, die unsere Expertise in Elektronentomographie mit der Expertise anderer Arbeitsgruppen in Molekularbiologie, Biochemie und Genetik auf der Grundlage internationaler Kooperationen kombinieren.Wir verwendeten eine Kombination von Lichtmikroskopie und Elektronentomographie, um die strukturelle Grundlage zu entdecken, wie Actinfilamente initiiert werden und flache Zellfortsätze (Lamellipodien) bilden, die migrierende Zellen fortbewegen. Zusammengefasst bestehen Lamellipodien aus einem Netzwerk von Filamenten, das von Proteinkomplexen gebildet wird, die Verzweigungspunkte (branches) initiieren und stabilisieren. Durch Destabilisierung des Branching Komplexes in Zellen konnten wir zeigen, dass verzweigtes Actin notwendig für die Schubkraft in der Zelle ist, allerdings nicht für andere Actinprozesse, die benötigt werden, um die Zellstruktur aufrecht zu erhalten. Zusätzlich zu Lamellipodien bilden Zellen auch dünne, bündelartige Strukturen, sogenannte Filopodien, deren Rolle in der Zellmigration schlecht verstanden ist. Weitere Studien in Zusammenarbeit mit anderen Gruppen deckten die Proteine auf, die in die Regulation der Filopodien involviert sind und zeigten, dass Filopodien zum Prozess der Zellausbreitung an zentraler Stelle beitragen, als essentieller Schritt der Fortbewegung vorangehend. Parallel dazu zeigten wir die Organisation von sogenannten Actinkometen, die von intrazellulären Pathogenen hergestellt werden, die die Actinmaschinerie der Zelle umprogrammieren, um die Infektion weiter zu verbreiten.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Erforschungen auf dem Gebiet der Organisation der Actinfilamente in verschiedenen Systemen dazu beigetragen haben, neue Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, wie die Kraft der Actinpolymerisation für zahlreiche biologische Prozesse verwendet wird. Unsere Führungsrolle in Elektronentomographie des Zytoskeletts wurde ebenso in verschiedenen Kooperationen verwendet, um Forschungen an verschiedenen Proteinen und Proteinkomplexen in Actin basierten Prozessen zu komplementieren.