Arten im gesamten Tierreich verfügen über lebenswichtige Schnittstellen zwischen den äußersten Schichten ihres Körpers und der Umwelt. Es ist bekannt, dass sich komplizierte mikroskopische Strukturen – wie sie beispielsweise in den äußeren Hautschichten von Menschen zu finden sind – in Matrixmustern anordnen.
Aber wie diese komplexen Strukturen, die als apikale extrazelluläre Matrizen (aECMs) bekannt sind, zu kunstvoll gewebten Architekturen zusammengesetzt werden, ist noch immer eine schwer fassbare Frage.
Nach jahrelanger Forschung und der Leistungsfähigkeit eines technologisch fortschrittlichen Instruments haben Wissenschaftler der University of California San Diego nun die Grundlagen solcher Matrizen in einem winzigen Fadenwurm entschlüsselt. Der Spulwurm Caenorhabditis elegans wird aufgrund seiner transparenten Struktur, die es Forschern ermöglicht, in sein Körperinneres zu blicken und seine Haut zu untersuchen, seit Jahrzehnten intensiv untersucht.
Im Tagebuch beschrieben Naturkommunikation, Forscher der School of Biological Sciences haben nun den Aufbau von aECM-Mustern in Spulwürmern im Nanomaßstab entschlüsselt. Ein leistungsstarkes, hochauflösendes Mikroskop half dabei, bisher ungesehene Muster im Zusammenhang mit Säulen, sogenannten Streben, aufzudecken, die für die ordnungsgemäße Entwicklung und Funktion von aECMs von entscheidender Bedeutung sind.
„Streben sind wie winzige Säulen, die die verschiedenen Schichten der Matrix verbinden und als eine Art Gerüst dienen“, sagte Andrew Chisholm, Professor an der School of Biological Sciences und leitender Autor der Studie.
Obwohl Spulwürmer aufgrund ihres einfachen, transparenten Körpers als Modellorganismus für Laborstudien dienen, weisen sie unter der Oberfläche eine komplizierte Architektur auf. Sie verfügen außerdem über fast 20.000 Gene, die der Anzahl menschlicher Gene nicht unähnlich sind, und liefern daher Lehren über die Struktur und Funktion fortgeschrittenerer Organismen.
Die Forscher konzentrierten sich auf das als Kutikula bekannte Spulwurm-Exoskelett und stellten fest, dass Defekte in den Streben zu einer unnatürlichen Schwellung der Schicht oder „Blasenbildung“ führen. Innerhalb der Nagelhautschicht konzentrierte sich die Forschungsstudie auf Kollagene, die in unserem Körper am häufigsten vorkommende Proteinfamilie und dabei helfen, Körpermaterialien miteinander zu verbinden.
„Die Streben halten die kritischen Schichten zusammen“, sagte Chisholm. „Ohne sie trennen sich die Schichten und verursachen Störungen wie Blasenbildung. Bei Mutanten mit Blasenbildung sieht man keine Streben.“
Herkömmliche Laborinstrumente hatten zuvor Streben ohne Details abgebildet, was oft zu undefinierten Klecksen führte. Aber über das Labor des Assistenzprofessors für Biowissenschaften, Andreas Ernst, gelangten sie zu fortschrittlicher Instrumentierung – bekannt als 3D-Structured Illumination Super Resolution Microscopy (3D-SIM) –, die die Streben in einen atemberaubenden Fokus versetzte und eine einfachere Definition ihrer Funktionen ermöglichte. Anschließend konnten die Forscher die nanoskalige Organisation von Streben und bisher nicht dokumentierte Musterebenen in der Kutikulaschicht aufklären.
„Wir konnten genau sehen, wohin diese Proteine in der Matrix gingen“, sagte Chisholm. „Dies ist möglicherweise ein Paradigma dafür, wie sich die Matrix zu sehr komplexen Strukturen und sehr komplizierten Mustern zusammenfügt.“
Die beiden Erstautorinnen Jennifer Adams (leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin) und Murugesan Pooranachithra (Postdoktorandin) trugen gleichermaßen zu der Arbeit bei. Weitere Co-Autoren sind Erin Jyo, Sherry Li Zheng, Alexandr Goncharov, Jennifer Crew, James Kramer, Professor für Neurobiologie Yishi Jin, Assistenzprofessor für Zell- und Entwicklungsbiologie Andreas Ernst und Andrew Chisholm.
Mehr Informationen:
Jennifer RG Adams et al., Nanoskalige Strukturierung von Kollagenen in der apikalen extrazellulären Matrix von C. elegans, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43058-9