Forskere opdager, at en mekanisk cue er årsagen til beslutningen om celledød

Hos mange arter, inklusive mennesker, de celler, der er ansvarlige for reproduktion, kønscellerne, er ofte meget indbyrdes forbundne og deler deres cytoplasma. I hermafroditnematoden Caenorhabditis elegans, op til 500 kønsceller er forbundet med hinanden i gonaden, det væv, der producerer æg og sæd. Disse celler er arrangeret omkring en central cytoplasmatisk "korridor" og udveksler cytoplasmatisk materiale, der fremmer cellevækst, og i sidste ende producerer oocytter klar til at blive befrugtet.

I tidligere undersøgelser, forskere har fundet ud af, at C. elegans gonader genererer flere kønsceller end nødvendigt, og at kun halvdelen af ​​dem vokser til oocytter, mens resten skrumper og dør af fysiologisk apoptose, en programmeret celledød, der sker i flercellede organismer. Nu, forskere fra Biotechnology Center ved TU Dresden (BIOTEC), Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG), Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) ved TU Dresden, Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS), Flatiron Institute, NY, og University of California, Berkeley, har fundet beviser for at besvare spørgsmålet om, hvad der udløser denne celleskæbnebeslutning mellem liv og død i kimlinien.

Tidligere undersøgelser afslørede det genetiske grundlag og de biokemiske signaler, der driver fysiologisk celledød, men de mekanismer, der udvælger og initierer apoptose i individuelle kønsceller, forblev uklare. Når kønsceller modnes langs nematodens gonade, de vokser først kollektivt i størrelse og volumen homogent. I undersøgelsen netop offentliggjort i Naturfysik , forskerne viser, at denne homogene vækst pludselig skifter til en heterogen vækst, hvor nogle celler bliver større og nogle celler bliver mindre.

Forskeren Nicolas Chartier i gruppen af ​​Stephan Grill, og medførsteforfatter af undersøgelsen, forklarer, "Ved præcist at analysere kimcellevolumener og cytoplasmatisk materialeflux i levende orme og ved at udvikle teoretisk modellering, vi har identificeret en hydraulisk ustabilitet, der forstærker små initiale tilfældige volumenforskelle, hvilket får nogle kønsceller til at stige i volumen på bekostning af de andre, der skrumper. Det er et fænomen, som kan sammenlignes med to-ballon ustabilitet, velkendt af fysikere. En sådan ustabilitet opstår, når man samtidig blæser ind i to gummiballoner, der forsøger at puste dem begge op. Kun den større ballon vil pustes op, fordi det har et lavere indre tryk end det mindre, og er derfor nemmere at puste op."

Dette er, hvad der er på spil i udvælgelsen af ​​kønsceller:sådanne trykforskelle har en tendens til at destabilisere den symmetriske konfiguration med lige store kønscellevolumener, såkaldte hydrauliske ustabiliteter, fører til vækst af den større kønscelle på bekostning af den mindre. Ved kunstigt at reducere kimcellevolumener via termoviskos pumpning (FLUCS-metode:Focused-light-induced cytoplasmic streaming), holdet viste, at reduktionen i cellevolumen fører til deres ekstrudering og celledød, angiver, at når en celle er under en kritisk størrelse, apoptose induceres, og cellen dør.

Ved at bruge konfokal billeddannelse, forskerne kunne forestille sig den levende orms fulde organisme for at modtage et globalt og præcist billede af volumenet af alle gonadecellerne, samt udveksling af væske mellem cellerne. Stephan Grill, Foredragsholder for Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) og vejleder for det tværfaglige arbejde, tilføjer, "Disse resultater er meget spændende, fordi de afslører, at beslutningen om liv og død i cellerne er af mekanisk karakter og relateret til vævshydraulik. Det hjælper med at forstå, hvordan organismen autoudvælger en celle, der skal blive til et æg. Ydermere, undersøgelsen er endnu et eksempel på det fremragende samarbejde mellem biologer, fysikere og matematikere i Dresden."