Selbstorganisation von räumlich-zeitlichen Rho GTPase Aktivitätsmustern
Biophysik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um ihre Funktionen zu erfüllen, müssen Zellen ihre Form dynamisch verändern. Filamentöse Strukturen, welche mechanische Kräfte produzieren, bilden die Grundlage für diese Formänderungen. Zellen generieren hierbei zwei entgegengesetzte Formveränderungen: Ausstülpungen und Kontraktionen. Durch die räumliche und zeitliche Koordination dieser Prozesse können Zellen ihre Position ändern. Dieser Prozess spielt eine zentrale Rolle in physiologischen und pathophysiologischen Prozessen, wie z.B. in der Wundheilung, der Immunantwort, der Embryonalentwickung und der Krebsmetastasierung. Wie Zellen ihre Formänderungen koordinieren ist noch nicht ausreichend verstanden. Vorherige Studien haben gezeigt, dass die Signalmoleküle Rac1, Cdc42 und RhoA eine zentrale Rolle spielen. Rac1 und Cdc42 fördern Zellausstülpungen und RhoA stimuliert Zellkontraktionen. In diesem Projekt haben wir untersucht, wie diese Signalmoleküle reguliert werden. Der Fokus lag auf zwei Systemen. Zum einen wurde die Dynamik von lokalen Zellkontraktionspulsen untersucht, welche eine Rolle in der Mechanotransduktion spielen. Zum anderen wurde die Koordination von Ausstülpungen und Kontraktionen während der Zellmigration untersucht. Vorherige Studien aus unserem Labor zusammen mit der Gruppe von Perihan Nalbant (Universität Duisburg-Essen) zeigten, dass nicht-migrierende Zellen lokale Zellkontraktionspulse generieren, und dass diese Pulse durch die Elastizität der Zellumgebung moduliert werden. Hier wurde der zugrunde liegende Mechanismus quantitativ untersucht. Der Zellkontraktionsregulator RhoA wird in diesem System in einem Signalnetzwerk durch positives und negatives Feedback kontrolliert, was zu pulsierenden Dynamiken führt. Auf dieser Grundlage entwickelten wir ein quantitatives Differenzialgleichungsmodell, welches testbare Vorhersagen ermöglichte, die wir experimentell mit einem optogenetischen Ansatz bestätigen konnten. Außerdem konnte dieses Model vorhersagen, unter welchen Bedingungen eine optimale Transduktion von mechanischen Signalen in biochemische Signale stattfindet. Die gerichtete Migration von Zellen erfordert eine Trennung von Ausstülpungen und Kontraktionen in der vorderen bzw. hinteren Zellregion. Vorherige Modelle haben vorgeschlagen, dass diese Trennung durch eine gegenseitige Hemmung zwischen den Signalmolekülen Rac1/Cdc42 und RhoA erreicht wird. Durch Kombination einer induzierten Störung und Messung der Systemantwort konnten wir diese gegenseitige Hemmung jedoch nicht bestätigen. Überraschenderweise haben wir stattdessen gefunden, dass Rac1 RhoA aktiviert. Detaillierte Untersuchungen haben gezeigt, wir dass die Signalmoleküle Arhgef11 und Arhgef12 diese Kopplung vermitteln und dass deren Aktivierung dynamische Zyklen von Ausstülpung und Kontraktion und eine ungerichtete Zellmigration bewirkt. Diese Erkenntnisse offenbaren einen neuen Mechanismus zur Regulation der Zellmigration. Durch Förderung einer weniger gerichteten Zellmigration spielt dieser Mechanismus möglicherweise eine Rolle in der Krebsmetastasierung. Zusammengefasst liefern diese Studien neue Einblicke in die räumlich-zeitliche Organisation der Zellform und bilden die Grundlage für ein tieferes Verständnis darüber, wie Zellen diese Prozesse nutzen, um ihre Funktionen auszuführen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optogenetic Tuning Reveals Rho Amplification-Dependent Dynamics of a Cell Contraction Signal Network. Cell Reports, 33(9), 108467.
Kamps, Dominic; Koch, Johannes; Juma, Victor O.; Campillo-Funollet, Eduard; Graessl, Melanie; Banerjee, Soumya; Mazel, Tomáš; Chen, Xi; Wu, Yao-Wen; Portet, Stephanie; Madzvamuse, Anotida; Nalbant, Perihan & Dehmelt, Leif
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Monitoring the Response of Multiple Signal Network Components to Acute Chemo‐Optogenetic Perturbations in Living Cells. ChemBioChem, 23(4).
Kowalczyk, Manuela; Kamps, Dominic; Wu, Yaowen; Dehmelt, Leif & Nalbant, Perihan
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Rho GTPase activity crosstalk mediated by Arhgef11 and Arhgef12 coordinates cell protrusion-retraction cycles. Nature Communications, 14(1).
Nanda, Suchet; Calderon, Abram; Sachan, Arya; Duong, Thanh-Thuy; Koch, Johannes; Xin, Xiaoyi; Solouk-Stahlberg, Djamschid; Wu, Yao-Wen; Nalbant, Perihan & Dehmelt, Leif
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Cdc42 activity in the trailing edge is required for persistent directional migration of keratinocytes. Molecular Biology of the Cell, 35(1).
Patwardhan, Rutuja; Nanda, Suchet; Wagner, Jessica; Stockter, Tom; Dehmelt, Leif & Nalbant, Perihan
