Eine am Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC) durchgeführte Studie läutet einen Paradigmenwechsel in der Mechanobiologie ein. Die Studie zeigt, dass Zellen auf unterschiedlich starke Kräfte reagieren, indem sie zwei unterschiedliche Mechanismen verwenden, einen, der durch winzige, becherartige Einstülpungen auf der Zelloberfläche, die Caveolae genannt werden, und der andere durch neu entdeckte große Membranvertiefungen, die die Studienautoren Dolinen nennen, vermittelt wird.
Studienkoordinator Miguel Ángel del Pozo, der die Gruppe Mechanoadaptation and Caveolae Biology am CNIC leitet, erklärte, dass die Natur Zellbiologie Studie löst Kontroversen auf diesem Gebiet. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Caveolae eine wesentliche Rolle in Geweben spielen, die großen mechanischen Kräften ausgesetzt sind (wie Skelettmuskeln, Herzmuskeln, Blutgefäße und Fettgewebe), während die neu identifizierten Dolinen wichtig für die Reaktion auf schwache oder mittelschwere Belastungen sind. Kraftkräfte.“
Diese Erkenntnisse könnten eine Neuinterpretation von pathologischen Prozessen wie Atherosklerose (eine Frage, die das Forschungsteam jetzt im Projekt AtheroConvergence untersucht), Tumorprogression und neurodegenerativen Erkrankungen auslösen, bei denen die Mechanobiologie hilft, herausfordernde Fragen zu lösen.
Der immense Beitrag mechanobiologischer Ansätze spiegelt sich in der jüngsten internationalen Anerkennung wider. Der Nobelpreis für Medizin 2021 wurde David Julius und Ardem Patapoutian für ihre Arbeiten zu Temperatur- und (mechanischen) Berührungsrezeptoren verliehen. Vor kurzem wurde der Lasker Award für 2022 an Richard O. Hynes, Erkki Ruoslahti und Timothy A. Springer für ihre Arbeiten zu Integrinen, mechanosensorischen Mediatoren der Zelladhäsion an die extrazelluläre Matrix, verliehen.
Zellen sind ständig mechanischen Kräften unterschiedlicher Art und Intensität ausgesetzt, die aus der lokalen Mikroumgebung stammen, wie z. B. Blutfluss, Kontraktion und Dehnung von Muskeln usw. Damit die Zellen auf diese Reize reagieren und ihre Funktion anpassen können, hat die Evolution sie bereitgestellt Mechanismen zur Erkennung verschiedener Arten von Kräften.
Die bekanntesten Strukturen mit dieser Kapazität sind Caveolae („kleine Höhlen“ auf Latein). „Diese winzigen Einstülpungen in der Plasmamembran [the outer envelope of the cell] sind auf vielen Zelltypen vorhanden und erkennen mechanische Reize durch Veränderungen ihrer physikalischen Form. Caveolae flacht ab, wenn Zellen anschwellen oder gedehnt werden, ähnlich wie Falten in einem Kleid. Aber sie bilden sich neu und versammeln sich, wenn die Zellmembran entspannt ist“, sagte Miguel Ángel del Pozo.
Diese Veränderungen modulieren biochemische Signalnetzwerke in der Zelle und machen Caveolae nicht nur zu mechanischen Adaptern, sondern auch zu Wandlern mechanischer Informationen.
Fidel-Nicolás Lolo, der die Forschung zusammen mit Dr. del Pozo leitete, sagte, dass Caveolae „in der Lage sind, die physische Umgebung zu ‚lesen‘ und diese Informationen in die Zellchemie zu übersetzen, wodurch sich die Zellen angemessen an die Anforderungen der lokalen Mikroumgebung anpassen können.“ Dr. Lolo betonte jedoch, dass „vor dieser Studie unklar war, ob diese Schlüsselfunktion die Invagination vollständig ausgebildeter Caveolae erfordert oder ob die einzelnen Komponenten Caveolin-1 und Cavin-1 allein ausreichen.“
Um dieser Frage nachzugehen, haben die CNIC-Wissenschaftler eine Zusammenarbeit mit dem Biophysiker Pere Roca-Cusachs (Universidad de Barcelona-IBEC) aufgebaut, um mithilfe magnetischer Pinzetten „aufzuklären, welches Element der mechanische Sensor und welches der Signalwandler ist“, erklärte Miguel Ángel del Pozo.
Zusätzlich zu diesen Experimenten sammelte die Studie viele andere biophysikalische Parameter durch Partnerschaften mit spanischen und internationalen Labors, darunter solche unter der Leitung von Jochen Guck (Max-Planck-Institut, Erlangen), Daniel Navajas und Xavier Trepat (IBEC, Barcelona) und Christophe Lamaze ( Institut Curie, Paris). Die gesammelten Daten zeigten, dass Zellen, die Caveolin-1, aber nicht Cavin-1 exprimierten, eine ähnliche mechanische Reaktion zeigten wie Zellen, die beide Proteine exprimierten (und somit Caveolae bilden konnten).
Dieser überraschende Befund stellte die zentrale Rolle von Caveolae in der Mechanobiologie in Frage und veranlasste die CNIC-Wissenschaftler, den Unterschied zwischen den Funktionen von Caveolae und denen von isoliertem Caveolin-1 zu untersuchen, eine Aufgabe, die sich nach den Worten von „als nicht so einfach herausstellte“. Dr Fidel Lolo.
Dr. del Pozo bemerkte, dass „manchmal in der Wissenschaft der ‚Heureka-Moment‘ kommt, wenn man einen unkonventionellen Ansatz versucht. Bei dieser Gelegenheit begannen wir eine intellektuell anregende Zusammenarbeit mit den Mathematikern Marino Arroyo und Nikhil Walani, die Computersimulationen entwickelten, die Vorhersagen machten eine unterschiedliche Reaktion auf das Spannungsniveau in der Zellmembran, bei der Caveolae (die Caveolin-1 und Cavin-1 enthalten) erst oberhalb einer relativ hohen Kraftschwelle reagieren, während Caveolin-1 allein in der Lage ist, größere Membranvertiefungen mit a zu bilden unterschiedlicher Form, die in der Lage sind, schwache und mittelstarke Kräfte zu erkennen und abzuflachen.“
Angespornt durch diese theoretischen Modellierungsdaten arbeitete das Team mit Britta Qualmann, Michael Kessels und Eric Seemann an der Universität Jenna in Deutschland zusammen. Diese Pioniere einer fortschrittlichen Elektronenmikroskopietechnik namens FRIL (Freeze Fract Replica Immunogold Labeling) gelang es, die vorhergesagten Membrandepressionen zu erkennen, die durch Caveolin-1 in Abwesenheit von Caveolae gebildet wurden.
Das CNIC-Team gab diesen größeren Membranvertiefungen den Namen Doline, basierend auf ihrer Ähnlichkeit mit den durch Karstverwitterung verursachten Dolinen dieses Namens, wie dem Dolina-Graben bei Atapuerca nördlich von Burgos in Spanien, der einst vom Homo Antecessor besetzt war.
Die Reaktion von Caveolae ist ein binärer Schalter, der erst oberhalb einer hohen Kraftschwelle aktiviert wird und mehrere Minuten dauert. Im Gegensatz dazu erfolgt die Reaktion der Nur-Caveolin-1-Strukturen allmählich, kontinuierlich und unmittelbar (es dauert Sekunden) und wird durch kleine Kraftsteigerungen aktiviert.
Dr. Lolo schlug vor, dass „Doline besonders wichtig in Zellen wie Lymphozyten oder Neuronen sein könnten, die keine Caveolae bilden, aber Caveolin-1 exprimieren. Diese Zellen würden somit angepasst, um auf subtilere Kräfte der Mikroumgebung in den Geweben zu reagieren, in denen sie sich befinden. „
Dr. del Pozo betonte, dass die Studie ohne einen multidisziplinären Ansatz unmöglich gewesen wäre. „Manchmal, wenn Ihre Forschung feststeckt, kann die Modellierung des Phänomens mit Hilfe eines Mathematikers helfen, aus der Sackgasse zum Eureka-Moment zu kommen.“
Mehr Informationen:
Fidel-Nicolás Lolo et al., Caveolin-1-Dolinen bilden ein ausgeprägtes und schnelles Caveolae-unabhängiges Mechanoadaptationssystem, Natur Zellbiologie (2022). DOI: 10.1038/s41556-022-01034-3
Bereitgestellt vom Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares Carlos III (FSP)