Wie bewegt sich eine Zelle? „Ziehen Sie den Stecker“ an der elektrischen Ladung auf der Innenseite seiner Membran, sagen Wissenschaftler

Wissenschaftler von Johns Hopkins Medicine sagen, dass ein Schlüssel zur Zellbewegung darin besteht, die elektrische Ladung auf der Innenseite der Zellmembran zu regulieren, was möglicherweise den Weg zum Verständnis von Krebs, Immunzellen und anderen Arten von Zellbewegungen ebnet.

Ihre Experimente an Immunzellen und Amöben zeigen, dass eine Fülle negativer Ladungen, die die innere Oberfläche der Membran auskleiden, Wege von Lipiden, Enzymen und anderen Proteinen aktivieren können, die dafür verantwortlich sind, eine Zelle in eine bestimmte Richtung zu schubsen.

Die Ergebnisse, beschrieben in der Oktober-Ausgabe von Natur Zellbiologiefördern das Verständnis der Biologen von Zellbewegungen und können möglicherweise dazu beitragen, biologische Prozesse zu erklären, die mit Bewegung verbunden sind, z. B. wie sich Krebszellen bewegen und über die ursprüngliche Stelle eines Tumors hinaus ausbreiten und wie Immunzellen in Infektions- oder Wundheilungsbereiche wandern.

„Unsere Zellen bewegen sich in unserem Körper mehr, als wir uns vorstellen können“, sagt Peter Devreotes, Ph.D., Isaac Morris und Lucille Elizabeth Hay Professor und Distinguished Service Professor in der Abteilung für Zellbiologie an der Johns Hopkins University School of Medicine. „Zellen bewegen sich, um viele Funktionen zu erfüllen, einschließlich, wenn sie Nährstoffe verschlingen oder wenn sie sich teilen.“

Viele der an der Zellbewegung beteiligten Moleküle werden an der Vorderkante der Zelle aktiviert oder dort, wo sie eine Art Fuß oder Vorsprung bildet, der die Zelle in eine bestimmte Richtung ausrichtet.

Tatsat Banerjee, ein Doktorand in den Abteilungen für Zellbiologie und chemische und biomolekulare Ingenieurwissenschaften an der Johns Hopkins University und Hauptautor der Studie, begann zu bemerken, dass negativ geladene Lipidmoleküle, die die innere Schicht von Zellmembranen auskleiden, nicht einheitlich sind, wie Wissenschaftler zuvor angenommen hatten . Er bemerkte, dass diese Gruppe von Molekülen ständig die Regionen verlässt, in denen eine Zelle eine Ausstülpung bildet.

Banerjee hatte die Vermutung, dass eher eine allgemeine biophysikalische Eigenschaft wie elektrische Ladung als ein bestimmtes Molekül die Aktivitäten von Enzymen und anderen Proteinen im Zusammenhang mit der Zellbewegung stimulieren und organisieren könnte.

Um diese Idee zu testen, verwendeten Banerjee und Devreotes einen Biosensor, ein fluoreszierend markiertes, positiv geladenes Peptid, um die innere Auskleidung der Membran menschlicher Immunzellen, genannt Makrophagen, zu untersuchen, die eindringende Zellen und eine einzellige Bodenbehausung verschlingen Amöbe, genannt Dictyostelium discoideum.

Sie fanden heraus, dass es eine entsprechende Verringerung der negativen elektrischen Ladung entlang der inneren Membran gab, wenn und wo die Zellen Vorsprünge bildeten. Alternativ nahm die elektrische Ladung entlang der ruhenden Membranoberfläche der Zellen zu, was dazu beiträgt, mehr positiv geladene Proteine ​​zu rekrutieren.

Die Johns-Hopkins-Forscher konstruierten auch neuartige hochgeladene, genetisch kodierte Moleküle, die mit Licht innerhalb der Zelle bewegt werden können. Wo immer die Wissenschaftler die Zelle mit Licht bestrahlten, bildeten sich neue Vorsprünge oder unterdrückten sie, um die Zelle in eine bestimmte Richtung zu bewegen, je nachdem, ob die Oberflächenladung verringert oder erhöht wurde.

Devreotes sagt, dass diese experimentellen Ergebnisse möglicherweise der erste Beweis dafür sind, dass das Niveau der generischen Membranoberflächenladung eine kausale Rolle bei der Steuerung der Zellsignalisierung und -motilität spielt.

In Zusammenarbeit mit Pablo Iglesias, Ph.D., und seinem Forschungsteam in der Abteilung für Elektro- und Computertechnik an der Johns Hopkins Whiting School of Engineering bauten die Forscher ein Rechenmodell, um zu demonstrieren, wie sich kleine Änderungen der elektrischen Ladungen auf die innere Membran auswirken zellsignalisierende Aktivitäten.

„Die negative Oberflächenladung scheint ausreichend und notwendig zu sein, um eine Kaskade biomolekularer Reaktionen zu aktivieren, die mit der Zellbewegung in Verbindung gebracht wurden“, sagt Banerjee.

Kommentierte die aktuelle Studie in F1000 Faculty Opinions, Martin Schwartz, Ph.D., der Robert W. Berliner Professor für Medizin (Kardiologie) und Professor für Biomedizinische Technik und Zellbiologie an der Yale School of Medicine, der nichts mit dieser zu tun hat Studie, sagte: „…Dieses Papier hat das Potenzial, eine neue Richtung auf diesem Gebiet einzuleiten.“

Als nächstes planen die Wissenschaftler, genau zu untersuchen, wie und wann die elektrischen Ladungen entlang der inneren Membran als Reaktion auf äußere Hinweise reduziert werden und wie genau die negativen Ladungen mit den komplizierten Protein- und Lipid-Signalnetzwerken verbunden sind, die die Zellbewegung und andere damit verbundene Prozesse auslösen physiologische Prozesse.