Celler bruger koncentrationsgradienter som kompas

Biofysikere ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i Munch har udviklet en ny teori, hvilket forklarer den observation, at celler kan opfatte deres egne former, og bruge denne information til at styre fordelingen af ​​proteiner inde i cellen.

Mange cellulære processer er kritisk afhængige af den præcise fordeling og mønsterdannelse af proteiner på cellemembranen. Forskellige undersøgelser har vist, at ud over protein-protein-interaktioner og transportprocesser, celleform kan også have en betydelig indflydelse på intracellulær mønsterdannelse. Omvendt der er mønsterprocesser, hvor enhver afhængighed af celleform ville være skadelig. Brug af søstjerne-oocytter som et modelsystem, LMU-fysikere ledet af professor Erwin Frey har nu forklaret, hvordan robuste proteinmønstre kan opstå i lyset af drastiske ændringer i celleform. Som Frey og kolleger rapporterer en ny undersøgelse, der vises i tidsskriftet Naturfysik , en koncentrationsgradient dannet i selve cellen koder for cellens forminformation og bliver afkodet af selvorganiserede proteinmønstre.

Søstjerne-oocytter er relativt store og gennemsigtige, og er derfor velegnet til biokemiske undersøgelser. Lige før meiotisk celledeling, en bølge af membransammentrækning passerer langs cellemembranen mod den position, hvor cellen deler sig asymmetrisk. Denne kontraktionsbølge udløses af det membranbundne enzym kaldet Rho, hvilken aktivitet forplanter sig som en puls over membranen. Bølgen skrider frem fra det, der er kendt som oocyttens vegetabilske pol til dyrepolen, hvor kernen er placeret, og deler sig asymmetrisk, når bølgen ankommer.

For at studere indflydelsen af ​​ændringer i celleform på denne proces, forskerne placerede enkelte oocytter i forskelligt formede mikrokamre, og tvinger således cellerne til at anvende den geometri, der pålægges af grænsen for hver beholder. "Vi fandt ud af, at selvom Rho-aktiveringens puls forplanter sig på en tilsvarende ændret måde i de deforme celler, det når altid den position, hvor kernen ligger, " siger Frey. "Denne fascinerende observation beviser, at Rho-pulsen genkender cellens form og tilpasser sig den."

Selvorganiserede proteinmønstre kan afkode information om celleformen

For at forstå mekanismen bag denne bemærkelsesværdige tilpasningsevne, holdet fortsatte med at udvikle en biofysisk teori, der forklarer dette fund. Modellen er baseret på den tidligere opdagelse af, at cellecyklusregulatoren Cdk1 er asymmetrisk fordelt i oocytcytoplasmaet, hvor det danner en koncentrationsgradient, der strækker sig fra kernen ind i cytoplasmaet og henfalder med tiden. Denne gradient gør det muligt for proteinerne på membranen at tilpasse sig celleformen.

"Nøgleindsigten er, at proteinet, der aktiverer Rho, måler gradienten tæt på membranen og markerer en tærskelkoncentration af gradienten:Det danner en frontlignende koncentrationsprofil på membranen, sådan at fronten er placeret nøjagtigt ved tærskelkoncentrationen. I denne forreste position, Rho-aktivatoren, på tur, lokalt udløser en aktivitetspuls af Rho." siger Wigbers, en af ​​artiklens førsteforfattere. Efterhånden som gradienten falder, positionen af ​​denne tærskelværdi bevæger sig med varierende hastighed langs membranen, afhængig af celleformen. Dermed, via dette hierarki af proteinkoncentrationsprofiler, forminformationen, der er kodet i gradienten, bliver transformeret til en mekanokemisk reaktion - sammentrækningsbølgen, der passerer over membranen.

"Vores resultater understreger betydningen af ​​selvorganiseringen af ​​hierarkiske proteinmønstre for forståelsen af ​​biologiske funktioner, " siger Frey. Faktisk, forfatterne har integreret to store paradigmer inden for proteinmønsterdannelse - selvorganisering baseret på reaktionsdiffusionsmekanismer og udnyttelse af positionsinformation. "Vi mener, at en sådan mekanisme, som bruger et hierarki af proteinmønstre til at kode information, der afspejler celleform, kunne repræsentere et generelt fysisk princip for genkendelse og regulering af celleform, " slutter Frey.