Hoe bewegen cellen in een bepaalde richting in het lichaam - naar een wond gaan en deze repareren, bijvoorbeeld, of infectieuze bacteriën opsporen en doden?

Twee nieuwe onderzoeken van het Marine Biological Laboratory (MBL) laten zien hoe cellen reageren op interne krachten wanneer ze zich oriënteren, grip krijgen, en migreren in een bepaalde richting. Het onderzoek, dat begon als een studentenproject in de MBL-cursus Fysiologie en werd ontwikkeld in het MBL Whitman Center, is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) en deze week binnen Natuurcommunicatie .

Beide artikelen richten zich op de activering van integrines, eiwitten die ervoor zorgen dat cellen zich kunnen hechten aan hun externe omgeving en reageren op signalen van andere cellen. Integrines zijn transmembraaneiwitten:een deel ligt op het celoppervlak en een deel ligt in de cel. Met behulp van een microscoop uitgevonden bij de MBL, de auteurs toonden aan dat wanneer integrines zich ontvouwen van het celoppervlak en extracellulair binden, ze richten zich tegelijkertijd in dezelfde richting als een kracht in de cel (actine retrograde stroming).

"Als je een cel als een auto ziet, de actinestroom is de motor, " zegt Clare Waterman, een Whitman Center-wetenschapper van het National Heart, Long en Bloed Instituut. "De cel kan daar zitten, zijn motor stationair draaien. Maar wanneer de integrines activeren en extern binden, ze zijn als de banden die de weg raken, wrijving geven. De motor gaat in versnelling en de auto beweegt."

Timothy Springer van de Harvard-universiteit, die in de jaren tachtig de integrinefamilie van eiwitten mede ontdekte en hun activeringsmechanisme grotendeels heeft gedefinieerd, en Satyajit burgemeester van het Nationaal Centrum voor Biologische Wetenschappen, Bangalore, waren de belangrijkste medewerkers van Waterman aan het project.

Het team gebruikte een fluorescentie-gepolariseerd lichtmicroscoop ontwikkeld door MBL Associate Scientist Tomomi Tani en voormalig Staff Scientist Shalin Mehta (nu bij Chan Zuckerberg Biohub) om - in realtime en met hoge precisie - de oriëntatie van de integrines op het celoppervlak te meten.

"Het is best opmerkelijk dat je dat kunt doen met een microscoop, "zegt Springer. "Ik ken geen andere voorbeelden waarbij mensen daadwerkelijk de oriëntatie van een celoppervlakmolecuul hebben gemeten."

Er zijn 24 verschillende soorten integrines die op menselijke cellen worden aangetroffen. De PNAS-paper bestudeert een integrine op fibroblastcellen, terwijl de Natuurcommunicatie paper analyseert een integrine op witte bloedcellen.

"De twee integrines waar we aan werkten waren ongeveer net zo structureel verschillend als je kunt krijgen in de integrinefamilie, " zegt Springer, toch beide soorten, wanneer geactiveerd, georiënteerd in een richting die wordt bepaald door de intracellulaire actinestroom.

"Dit is echt prachtig fundamenteel onderzoek, " zegt Springer. "Hoewel we veel wisten over sterk gezuiverde integrines in oplossing, dit onderzoek geeft ons specifieke informatie over hun activeringsstatus in levende cellen."

Waterman leidde de opleiding MBL Fysiologie toen ze dit onderzoek startte met een groep studenten, waaronder Vinay Swaminathan en Pontus Nordenfelt. Nadat de cursus was afgelopen, het team heeft leden toegevoegd, waaronder Joseph Mathew Kalappurakkal en Travis I. Moore, en bleef samenwerken in het MBL Whitman Center met steun van een Lillie Research Innovation Award van de Universiteit van Chicago en de MBL.

"De MBL staat bekend om zijn vermogen om wetenschappelijke teams bijeen te roepen met diepgaande interdisciplinaire expertise via de communicatie tussen de geavanceerde cursussen, zijn ingezeten wetenschappers, en het Whitman Center, " zegt David Mark Welch, MBL directeur onderzoek. "In dit geval, inzichtelijke wetenschappers met heel verschillende vaardigheden - celbiologen, microscoop ontwikkelaars, computationele wetenschappers, moleculaire modelbouwers, eiwitchemici - synergetisch om een ​​fundamenteel belangrijke aanjager van cellulaire migratie te onthullen."