Wabenflügel, die von der Natur geschaffen wurden

Kräfte prägen die Welt, in der wir leben, einschließlich der Körper, in denen wir wachsen. Winzige Motoren in unseren Zellen drücken und ziehen, um unterschiedliche Formen zu erzeugen, die umgebenden Zellen reagieren und reagieren, um unterschiedliche Gewebemuster zu erzeugen, was zu einer Welt voller einzigartiger Pflanzen und Tiere führt. Dr. Sugimura und Ikawa von der Universität Kyoto untersuchten den Drosophila-Fliegenflügel, um die Komponenten aufzudecken, die dazu beitragen, äußeren Kräften zu widerstehen und auf sie zu reagieren.

Du denkst wahrscheinlich nicht so viel über Kräfte nach. Sie mussten wahrscheinlich nicht darüber nachdenken, ob der Stuhl, auf dem Sie sitzen, Sie unterstützen würde oder ob das Gebäude, in dem Sie arbeiten, seine Form behalten würde. Aber ein Mechaniker oder Ingenieur hat viel darüber nachgedacht, diese Dinge zu entwerfen. Jedes Teil muss sorgfältig aus dem richtigen Material zusammengesetzt werden, um sicherzustellen, dass Sie nicht von Ihrem Stuhl fallen oder das Gebäude nicht einstürzt. Es ist einfach, über Kräfte in etwas nachzudenken, das Sie möglicherweise aufbauen, aber wie steht es mit den Kräften in Ihrem Körper? ?

Weibliche erwachsene Fruchtfliege, Drosophila melanogaster.

Sie und ich und alle anderen Lebewesen auf dem Planeten bestehen aus Zellen. Wenn sich ein menschliches Kind entwickelt, wirken Kräfte zwischen zehn Billionen Zellen, um unseren Körper zu formen. Wenn Sie an ein Tier denken, das sich von Ihrem Kopf abhebt, ist es wahrscheinlich, dass es eine ganz andere Form und Größe hat als Sie. Wir leben in einer Welt voller verschiedener Tiere und Pflanzen. Um zu verstehen, wie diese verschiedenen Formen entstehen, müssen wir die Kräfte verstehen, die der Entwicklung zugrunde liegen. Wir müssen die Mechanik der Natur betrachten.

Stellen Sie sich zwei Judospieler in einem Ringkampf vor. Sie drücken und ziehen sich gegenseitig und versuchen mit Gewalt zu gewinnen. Sie reagieren auch aufeinander - ein Zug von einem Spieler kann zu einem Stoß des anderen führen. Genau wie die Judospieler drücken und ziehen die Zellen während der Entwicklung, um Formen und Muster zu erstellen. In der Zelle wirken Proteine ​​hart und erzeugen Kräfte, während die Zellen durch mechanische Bewegungen miteinander kommunizieren. Zellen spüren und reagieren ebenso wie die Judospieler auf ihre Umgebung.

Eine Momentaufnahme des linken Flügels der Drosophila-Puppe. Die Zellen sind mit GFP-markierten Zelladhäsionsmolekülen, E-Cadherin, markiert. Die vertikale und horizontale Richtung sind mit der anterior-posterioren (AP) bzw. der proximal-distalen (PD) Achse ausgerichtet.

Das Verständnis der Krafterzeugung in Zellen und Geweben hat sich im letzten Jahrzehnt weiterentwickelt. Es ist jedoch viel weniger bekannt, wie Zellen während der Entwicklung auf Kräfte reagieren können. Diesen mysteriösen Forschungsbereich haben Dr. Kaoru Sugimura und ihre Kollegen, Dr. Keisuke Ikawa von der Universität Kyoto und Dr. Shuji Ishihara von der Universität Tokio, die Entwicklungsgeschichte der Flügelzellen in Drosophila-Fliegen heldenhaft aufgedeckt.

WabenflügelWenn sich Drosophila im Puppenstadium befindet, verwandelt sich die Larve in eine erwachsene Fliege. Während der Metamorphose ordnen die Zellen ihre Position neu an, um erwachsenes Fliegengewebe zu bilden. Mechanische Kräfte drücken und ziehen Zellen und chemische Signale lösen Zellbewegungen und Konfigurationsänderungen aus. Zellen reagieren auf viele verschiedene Arten auf die mechanische Kraft, einschließlich Dehnung, zunehmender Elastizität und gerichteter Zellumlagerung. Hier werden die Zellen neu angeordnet, indem der Kontakt zu den Zellen um sie herum geändert wird. Im Drosophila-Flügel bewirkt eine gerichtete Zellumlagerung, dass sich die Zellen im Flügel in Sechsecken ausrichten und eine schöne Wabenstruktur bilden.

Puppe von Drosophila melanogaster.

Wenn sich die Drosophila-Flügel zusammen mit dem Gelenk (an dem der Flügel mit dem Körper verbunden ist) verformen, erhöht sich die Spannung des Gewebes, wodurch sich die Flügelzellen verlängern und horizontal ausdehnen. Diese Gewebespannung zieht die Zellen in Kontakt mit den umgebenden Zellen. Der Kontaktpunkt mit diesen anderen Zellen ist als Zellübergang bekannt. An der Zellverbindung wirken Kräfte, um die Spannung des Gewebes auszugleichen. Wenn dieser Spannung nicht widerstanden wird, würden die Zellen auseinandergezogen. Durch die Stabilisierung des Gleichgewichts zwischen äußerer Spannung und inneren Kräften können die Zellen bequem in eine hexagonale Form gebracht werden. Sugimura und ihre Kollegin Ishihara haben all diese Faktoren beim Spielen ordentlich aufgedeckt, aber es gibt noch mehr zu verstehen - was erzeugt diese Widerstandskräfte in der Zelle? Sugimura griff tief in die Zelle ein, um die einzelnen Moleküle in der Zelle zu finden, die an diesem Prozess beteiligt waren.

… Diese Kräfte bewirken, dass sich die Zellen im Flügel in Sechsecken ausrichten und eine schöne Wabenstruktur bilden…

ActinActin ist ein Protein, das in den meisten Körperzellen vorkommt. Es ist wichtig für die Muskelkontraktion, für die Bewegung und Teilung von Zellen und für die Formgebung von Zellen. Actin spürt und widersteht Kräften und kann auf die mechanische Umgebung reagieren und reagieren, indem es seine Elastizität oder seine Struktur ändert.

Aktin existiert in zwei Formen - faserig und kugelförmig. Die kleinen globulären Actin-Proteine ​​bilden zusammen eine Kette oder Faser. In seiner Kettenform ist es nützlich für alle möglichen Dinge, einschließlich des Formens und Bewegens von Zellen! Actin könnte auch an der Organisation vieler Zellen innerhalb eines Gewebes beteiligt sein, da Actin über spezielle Verbindungsstellen, sogenannte Adhesens Junctions, zwischen den Zellen verbunden ist.

Actin kann seine Struktur nur mit Hilfe anderer als Actin-bindende Proteine ​​bezeichneter Proteine ​​wie AIP1 und Cofilin verändern. Sugimura und Ikawa untersuchten, ob diese Proteine ​​an der Zellumlagerung im Drosophila-Fliegenflügelgewebe beteiligt sein könnten, da Aktin Kräfte erkennen und diesen widerstehen kann. Andere Studien haben gezeigt, dass AIP1 und Cofilin wichtig sind, um die Form und das Verhalten von Aktinen in vitro zu verändern.

Die Actin-Kollegen Sugimura und Ikawa identifizierten zunächst AIP1 in den Flügelzellen mithilfe eines fluoreszierenden Proteins, das auf AIP1 markiert war, damit sie genau sehen konnten, wo es sich in den Zellen befand. Sie fanden heraus, dass es sich hauptsächlich an den vertikalen Seiten der länglichen Zellen befand (stellen Sie sich eine Zelle vor, die wie ein horizontales Baguette gedehnt wird, und stellen Sie sich die beiden kurzen gekrümmten Seiten oder Enden des Baguettes vor, dies sind die vertikalen Seiten, auch AP-Kreuzungen genannt). Während die Flügelzellen gedehnt werden, scheint es sinnvoll zu sein, dass Kräfte, die der Spannung während der Zellumlagerung widerstehen, von den AP-Übergängen ausgehen. Zuvor hatten Sugimura und Ikawa jedoch andere Kräfte an den länglichen horizontalen Seiten festgestellt, die der Spannung widerstanden.

Oben: Standbilder aus der Zeitrafferaufnahme der Entwicklung des Puppenflügels. Orange Rechtecke zeigen die Dehnung und Schrumpfung des Flügelgewebes entlang der PD- bzw. AP-Achse an. Die im proximalen Bereich des Körpers erzeugten Kräfte dehnen den Flügel entlang der PD-Achse (blauer Zweiwege-Pfeil).
Unten: In Reaktion auf die Gewebespannung (blaue Pfeile) ändern die Zellen ihre relative Position entlang der PD-Achse, indem sie die Zellkontakte (Magenta-Linien) umbauen.

Weitere Untersuchungen an AIP1 ergaben, dass es nur vorhanden war, wenn eine Zellumlagerung stattfand. All dies weist auf die Bedeutung von AIP1 für die Zellumlagerung hin, aber der Goldstandard-Test stört die Funktion des Gens und sieht, was passiert! Die Forscher störten das AIP1-Gen, sodass es nicht funktionierte, und stellten eine Störung der hexagonalen Zellpackung und einen Defekt in der gerichteten Zellanordnung fest. Alle diese Ergebnisse weisen auf die Bedeutung von AIP1 bei der Zellumlagerung hin.

… AIP1 und Cofilin sind wie Erdnussbutter und Gelee - sie arbeiten besser zusammen.

AIP1 hat einen Partner in Sachen Kriminalität - Cofilin. Ohne Cofilin bindet AIP1 nur schwach an Actin und hat nur geringe Auswirkungen auf die Änderung seines Verhaltens. Sugimura und Ikawa stellten fest, dass AIP1 bei einer Störung des Cofilins nicht mehr an den AP-Übergängen lokalisiert war und dass Cofilin bei einer Störung des AIP1 seine Lokalisierung änderte. AIP1 und Cofilin scheinen wie Erdnussbutter und Gelee - sie arbeiten besser zusammen.

Myosin und Kanu / Afadin Es stellt sich heraus, dass es nicht nur AIP1 und Cofilin sind, die der Gewebespannung widerstehen, sondern auch andere Proteine, die wichtig sind, um zu verhindern, dass die Zellen in zwei Teile zerrissen werden. Sugimura und Ikawa untersuchten Myosin, ein Motorprotein, von dem zuvor gezeigt wurde, dass es an der Regulation der Zellumlagerung beteiligt ist. Actin und Myosin arbeiten oft so eng zusammen, dass sogar ihre Namen verschmolzen sind. Actomyosin ist der Name für Netzwerke aus Actin und Myosin, die zusammenarbeiten, um unter anderem die Zellbewegung und -stabilität zu fördern. Die Forscher identifizierten hier eine wichtige Rolle für Actomyosin bei der Zellumlagerung. Sie fanden heraus, dass Actomyosin AIP1 benötigt, um richtig zu funktionieren. Wenn AIP1 zerstört wurde, wurden Myosinfasern in Kreise zerlegt, aber dies trat nicht auf, wenn AIP1 vorhanden war. Die Forscher identifizierten auch Kanu / Afadin als ein wichtiges Protein für die Verbindung von Actomyosin mit der adhärenten Verbindung, sodass Actomyosin die Zellmembran mitzieht, wenn es sich bewegt. Ohne eines dieser Proteine ​​ordnen sich die Zellen nicht richtig um, was zu nicht übereinstimmenden Formen und unregelmäßigen Sechsecken in den Flügeln führt.

Zusammenführen Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse haben Sugimura und Ikawa eine Reihe von Ereignissen zusammengestellt, die darauf hindeuten, wie Zellen auf Gewebespannungen reagieren und zu einer Zellumlagerung führen. Die Gewebespannung bewirkt, dass sich das Actin an den AP-Übergängen verdreht. Diese Verdrehung ermöglicht es dem Cofilin, sich an das Actin zu binden. Cofilin bewirkt, dass AIP1 an den AP-Kreuzungen ankommt. Die Kombination von AIP1 und Cofilin (Erdnussbutter und Gelee) führt zu einem Aktinumsatz, der die Kanu / Afadin-Verbindung zwischen Actomyosin an der adhärenten Kreuzung aufrechterhält. Dies widersteht der Gewebespannung, die andernfalls die Zellen in zwei Teile zerbrechen würde. Nun, da diese Mechanismen aufgedeckt wurden, möchten Sugimura und Ikawa weitere Experimente durchführen, um ihre Bedeutung in anderen Entwicklungszusammenhängen aufzuzeigen.

Persönliche Antwort

Wird das Verständnis der gerichteten Zellumlagerung hilfreich sein, um die Ätiologie von Krankheiten zu verstehen?

Ich würde Ja sagen. Die gerichtete Zellumlagerung ist für verschiedene Entwicklungsprozesse wie den Verschluss des Neuralrohrs und die Bildung des Hörrohrs von wesentlicher Bedeutung (Nishimura et al., Cell, 2012; Kidokoro et al., Development, 2018). Ihr Versagen führt beim Menschen zu schwerwiegenden Geburtsfehlern, einschließlich Anenzephalie. Einige krankheitsbedingte Proteine ​​wirken auch bei der gerichteten Zellumlagerung. Zum Beispiel kontrolliert Pten, ein Tumorsuppressor, die Dehnung neu erzeugter Adhäsionskontakte (Barder et al., Dev. Cell, 2013). Das Verständnis der gerichteten Zellumlagerung hilft uns zu verstehen, wie schwerwiegende Geburtsfehler und tödliche Krankheiten verursacht werden.

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    • Aktin-Zytoskelett
    • AIP1
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