Schwer fassbare Zytoneme leiten die neuronale Entwicklung und bieten eine „Expressroute“ für die Signalübertragung

Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital fanden heraus, dass Zytoneme (dünne, lange, haarähnliche Vorsprünge auf Zellen) während der neuronalen Entwicklung wichtig sind. Zytoneme verbinden Zellen, die über weite Entfernungen kommunizieren, sind jedoch in sich entwickelnden Wirbeltiergeweben mit der Mikroskopie schwer zu erfassen.

Die Forscher sind die ersten, die einen Weg finden, zu visualisieren, wie Zytoneme Signalmoleküle während der Entwicklung des Nervensystems von Säugetieren transportieren. Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Zelle.

„Wir haben gezeigt, dass Zytoneme ein direkter Expressweg für den Signaltransport sind“, sagte die korrespondierende Autorin Stacey Ogden, Ph.D., St. Jude Department of Cell and Molecular Biology.

„Zellen müssen während der Entwicklung und der Gewebehomöostase miteinander kommunizieren und in der Lage sein, mehr als nur ihre Nachbarn zu erreichen. Wir haben eine Möglichkeit identifiziert, wie Signale in Zytoneme geladen werden, um sie zu reagierenden Zellpopulationen zu transportieren, und gezeigt, dass es zu keiner Gewebemusterung kommt.“ ordnungsgemäß, wenn dieser Modus der Signalverteilung beeinträchtigt ist.

Die Express-Signalübermittlung bereitet das Nervensystem auf Erfolg vor

Forscher in Ogdens Labor waren die ersten, die Zytoneme von Säugetieren im sich entwickelnden Nervensystem sichtbar machten, indem sie moderne Mikroskopietechniken mit optimierten Probenvorbereitungen kombinierten.

„Lange Zeit war die Visualisierung dieser Strukturen im sich entwickelnden Säugetiergewebe eine Herausforderung“, sagte Ogden. „Aber wir haben endlich einen Weg gefunden.“

Mit ihren neuen Methoden haben die Wissenschaftler Bilder aufgenommen, die zeigen, wie Zytoneme als „Express“-System fungieren, das dazwischenliegende Zellen überspringen kann, um Signale direkt an weiter entfernte Zellen zu übermitteln, ähnlich einer Express-U-Bahn, die nur an großen Bahnhöfen hält. Eine der wichtigsten Stationen ist die Chorda dorsalis, die ein Signal erzeugt, das eine entscheidende Rolle bei der Organisation des sich entwickelnden Rückenmarks spielt. Ogdens Team hat Bilder des Transportprozesses aufgenommen, der in den Zytonemen abläuft, die von der Chorda dorsalis stammen.

Als die Forscher verhinderten, dass Signalproteine ​​in Zytoneme eindringen, wurde die neuronale Entwicklung in Mausmodellen gestört, was zu schwerwiegenden neurologischen Defekten führte.

„Dies ist der erste Nachweis dieser Zytonem-basierten Transportprozesse, die während der Entwicklung eines komplexen Säugetiergewebes wie des Neuralrohrs ablaufen“, sagte Ogden. „Dann haben wir gezeigt, dass wir Entwicklungsstörungen bekommen, wenn wir die Zytonemzahl reduzieren oder die Fähigkeit der Zellen, Signalproteine ​​in diese Strukturen zu laden, verringern.“

Der Zytonemtransport hilft beim Aufbau des Gradienten

Die Entwicklung von Säugetieren ist ein sorgfältig gesteuerter Prozess, der koordiniert werden muss, damit sich alle Organe und Gewebe richtig bilden. Eine Möglichkeit, wie Zellen erkennen, wann sie ein bestimmtes Schicksal annehmen müssen, besteht darin, auf bestimmte Schwellenwerte von Signalproteinen, sogenannten Morphogenen, zu reagieren.

Zellen reagieren über einen Signalgradienten unterschiedlich auf diese Signale und nehmen als Reaktion auf hohe und niedrige Konzentrationen eines bestimmten Morphogens unterschiedliche Eigenschaften an. Für die Entwicklung ist ein gutes Gefälle notwendig; Ein schlechtes Gefälle kann eine Katastrophe bedeuten.

Trotz ihrer Bedeutung bleibt es ein Rätsel, wie diese Muster von Morphogenen in den verschiedenen Bereichen der Zellorganisation entstehen. Einfache Diffusion kann einige, aber nicht alle dieser Gradienten erklären. Die neurologischen Defizite, die entstanden, als die Wissenschaftler Signale daran hinderten, in Zytoneme einzudringen, liefern Hinweise darauf, dass die Zytonemsignale eine Schlüsselrolle bei der Morphogenstrukturierung spielen.

„Diese Defizite sind wirklich der erste direkte Beweis dafür, dass die Zytonem-basierte Signalübertragung eine Schlüsselrolle bei der Strukturierung des Neuralrohrs spielt“, sagte Ogden.

Transport von „Sonic Hedgehog“ durch Zytoneme

Die St. Jude-Gruppe klärte einen Weg auf, wie im Neuralrohr ein Gradient des Sonic-Hedgehog-Morphogens gebildet wird. Sonic Hedgehog war bereits als entscheidendes Signalmolekül in der neuronalen Entwicklung bekannt, aber sein Weg zu seinen Zielzellen war bisher schwer zu bestimmen. Die Studie identifizierte Zytoneme als Schlüsselfaktoren für eine Lösung, die den Sonic-Hedgehog-Signalgradienten erzeugt. Dementsprechend war seine Signalfunktion beeinträchtigt, wenn Sonic Hedgehog nicht in Zytoneme geladen werden konnte.

„Auf dem Gebiet der Morphogen-Signalisierungsforschung wollten wir schon immer wissen, wie sich ein Signal von einer Zellpopulation über eine empfangende Zellpopulation ausbreitet und einen Gradienten bildet“, sagte Odgen. „Es ist wirklich spannend zu zeigen, dass Zellen, die Morphogensignale produzieren, eine aktive Rolle dabei spielen, sie durch Zytoneme dorthin zu bringen, wo sie hin müssen. Die Signalzelle produziert nicht nur das Morphogen, sondern hilft auch dabei, das Signal physisch zu übermitteln.“ „

Unklar bleibt, wie weit verbreitet der Cytonem-Express-Transport von Signalproteinen in der Entwicklung ist.

„Hier haben wir Sonic Hedgehog als Modell verwendet“, sagte Ogden. „Aber wir haben auch Hinweise darauf, dass diese Strukturen für den Transport anderer Signale wichtig sein könnten, die während der Entwicklung des Neuralrohrs von entscheidender Bedeutung sind. Nachdem wir nun ein System zur Visualisierung dieser Zytoneme entwickelt haben, können wir beginnen, das wahre Ausmaß ihrer Funktion aufzudecken.“