Biofysici van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in Munch hebben een nieuwe theorie ontwikkeld, wat verklaart waarom cellen hun eigen vormen kunnen waarnemen, en gebruik deze informatie om de verdeling van eiwitten in de cel te sturen.

Veel cellulaire processen zijn kritisch afhankelijk van de precieze verdeling en patroonvorming van eiwitten op het celmembraan. Diverse onderzoeken hebben aangetoond dat, naast eiwit-eiwit interacties en transportprocessen, celvorm kan ook een aanzienlijke invloed hebben op de vorming van intracellulaire patronen. Omgekeerd, er zijn patroonvormingsprocessen waarbij elke afhankelijkheid van celvorm schadelijk zou zijn. Zeestereicellen als modelsysteem gebruiken, LMU-natuurkundigen onder leiding van professor Erwin Frey hebben nu uitgelegd hoe robuuste eiwitpatronen kunnen ontstaan ​​in het licht van drastische veranderingen in celvorm. Zoals Frey en collega's een nieuwe studie rapporteren die in het tijdschrift verschijnt Natuurfysica , een concentratiegradiënt gevormd in de cel zelf codeert voor de vorminformatie van de cel en wordt gedecodeerd door zelfgeorganiseerde eiwitpatronen.

Zeestereicellen zijn relatief groot en transparant, en zijn daarom zeer geschikt voor biochemisch onderzoek. Net voor de meiotische celdeling, een golf van membraancontractie gaat langs het celmembraan naar de positie waar de cel zich asymmetrisch deelt. Deze samentrekkingsgolf wordt veroorzaakt door het membraangebonden enzym Rho, waarvan de activiteit zich voortplant als een puls over het membraan. De golf vordert van wat bekend staat als de plantaardige pool van de eicel naar de dierlijke pool, waar de kern zich bevindt, en verdeelt asymmetrisch als de golf arriveert.

Om de invloed van veranderingen in celvorm op dit proces te bestuderen, de onderzoekers plaatsten enkele eicellen in verschillend gevormde microkamers, waardoor de cellen worden gedwongen de geometrie aan te nemen die wordt opgelegd door de grens van elke container. "We hebben gevonden dat, hoewel de puls van Rho-activering zich op een overeenkomstig veranderde manier voortplant in de vervormde cellen, het bereikt altijd de positie waar de kern ligt, " zegt Frey. "Deze fascinerende waarneming bewijst dat de Rho-puls de vorm van de cel herkent en zich eraan aanpast."

Zelfgeorganiseerde eiwitpatronen kunnen informatie over de celvorm decoderen

Om het mechanisme achter dit opmerkelijke aanpassingsvermogen te begrijpen, het team ging verder met het ontwikkelen van een biofysische theorie die deze bevinding verklaart. Het model is gebaseerd op de eerdere ontdekking dat de celcyclusregulator Cdk1 asymmetrisch is verdeeld in het cytoplasma van de eicel, waar het een concentratiegradiënt vormt die zich uitstrekt van de kern naar het cytoplasma en met de tijd vervalt. Door deze gradiënt kunnen de eiwitten op het membraan zich aanpassen aan de celvorm.

"Het belangrijkste inzicht is dat het eiwit dat Rho activeert de gradiënt dicht bij het membraan meet en een drempelconcentratie van de gradiënt markeert:het vormt een frontachtig concentratieprofiel op het membraan, zodanig dat het front precies op de drempelconcentratie ligt. Op deze frontpositie de Rho-activator, beurtelings, lokaal triggert een activiteitspuls van Rho." zegt Wigbers, een van de eerste auteurs van het artikel. Naarmate de gradiënt afneemt, de positie van deze drempelwaarde beweegt met wisselende snelheid langs het membraan, afhankelijk van de celvorm. Dus, via deze hiërarchie van eiwitconcentratieprofielen, de vorminformatie die in de gradiënt is gecodeerd, wordt omgezet in een mechanochemische reactie - de contractiegolf die over het membraan gaat.

"Onze resultaten onderstrepen het belang van de zelforganisatie van hiërarchische eiwitpatronen voor het begrijpen van biologische functies, " zegt Frey. In feite, de auteurs hebben twee belangrijke paradigma's geïntegreerd op het gebied van eiwitpatroonvorming:zelforganisatie op basis van reactie-diffusiemechanismen en de exploitatie van positionele informatie. "Wij geloven dat een dergelijk mechanisme, die een hiërarchie van eiwitpatronen gebruikt om informatie te coderen die de celvorm weerspiegelt, zou een algemeen fysiek principe kunnen vertegenwoordigen voor de herkenning en regulatie van celvorm, ’ concludeert Frey.