Intracellular calcium compartmentation in the mineral forming organisms Porcellio scaber (Crustacea), Magellania venosa (Brachiopoda) and Emiliania huxleyi (Haptophyta).
Palaeontology
Structural Biology
Cell Biology
Final Report Abstract
Es wurde die Ultrastruktur und die Calciumverteilung in Zellen untersucht, die an der Bildung von calciumhaltigen Schalen beteiligt sind, mit dem Ziel die Mechanismen der biogenen Mineralbildung besser zu verstehen. Dabei war von besonderem Interesse, wie durch intrazelluläre Kompartimentierung toxische Effekte der Calciumionen vermieden werden. Es wurden vier Modellsysteme verwendet: Der Hepatopancreas und die Mandibeln des terrestrischen Crustaceen Porcellio scaber, das Schalen bildende äußere Mantelepithel (OME) des Brachiopoden Magellania venosa und die einzellige Kalkalge, Emiliania huxleyi die eine Schale aus Calcit Plättchen besitzt. Bei Crustaceen treten besonders hohe Raten für den Calciumtransport auf, weil die Kutikula nach jeder Häutung schnell mineralisiert werden muss. Außerdem frisst P. scaber nach jeder Häutung die abgestreifte Haut (Exuvie). Unsere Experimente haben gezeigt, dass Calcium aus der Exuvie über das Hepatopancreas Epithel aufgenommen wird. Dabei wird ein Teil des Calciums in kupferhaltige lysosomale Granula des Hepatopancreas gespeichert. Gleichzeitig wird Calcium über einen unerwarteten Transportweg über das Epithel in die Hämolymphe transportiert. Dabei erfolgt der Transport in gebundener Form an phosphathaltigen Molekülen, die sich in Form kleiner dichter Granula apikal an der Mikrovillimembran bilden. Die Granula formen größere Aggregate an der basolateralen Zellmembran. Durch Knospung und anschließenden Abbau der Vesikelmembran gelangen die Aggregate auf die Hämolymphseite des Epithels, wo sie sich schließlich im Bereich der Basallamina auflösen. Überraschend war die Entdeckung vieler Exosomen und multivesikulärer Körper, die jedoch nicht im Zusammenhang mit Calciumtransport stehen. Die Kutikula der Schneidkanten der Mandibeln (Partes incisivae) enthalten amorphes Calciumphosphat (ACP) anstatt Calciumcarbonat. Die Mineralisierung der Partes incisivae erfolgt an der apikalen Seite von bis zu 400 µm langen Zellausläufern, die viele Organelle enthalten. Während der Mineralisierung finden sich in den Ausläufern intrazelluläre Vesikel, die ACP in ähnlicher Zusammensetzung wie das Mineral der Kutikula enthalten. Das spricht dafür, das ACP für die Mineralisierung der Kutikula intrazellulär gebildet wird. Die Calcitschale von M. venosa wird vom OME sezerniert Eine morphometrische Analyse ergab keinen Hinweis darauf, ob Organelle am Calciumtransport durch die Zellen beteiligt sind. Sehr dünne Bereiche des OME, die frei von Organellen sind, weisen sogar darauf hin, dass in diesen Bereichen eine Diffusion von Calciumionen durch das Cytosol für die Bildung der Schale möglich ist. Die Calcitplättchen der Schale von E. huxleyi wird in einem intrazellulären Organell, dem Coccolithenvesikel, gebildet. Unsere Untersuchungen bestätigen, dass die Kalkalgen ein großes Calcium und Phosphat haltiges Organell haben. Neu ist, dass dieses Kompartiment weit vom Coccolithenvesikel entfernt ist, aber eng am endoplasmatischen Retikulum anliegt, das den Chloroplasten der Alge umgibt. Das spricht für eine Rolle des endoplasmatischen Retikulums für die Bildung des Coccolithen.
Publications
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(2019) Terebratulide brachiopod shell biomineralization by mantle epithelial cells. Journal of Structural Biology 207, 136-157
Simonet Roda M, Ziegler A, Griesshaber E, Yin X, Rupp U, Greiner M, Henkel D, Häussermann V, Eisenhauer A, Laudien J, Schmahl W W
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(2019) The effect of exuviae ingestion on lysosomal calcium accumulation and the presence of exosomes in the hepatopancreas of Porcellio scaber. Journal of Structural Biology, 208, 107392
Rupp U, Ziegler A
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(2020) Intracellular calcium phosphate deposits contribute to transcellular calcium transport within the hepatopanceas of Porcellio scaber. Journal of Structural Biology, 212, 107613
Rupp, U., P. Walther, and A. Ziegler
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(2021) The epidermis cells of mandible teeth in the terrestrial isopod Porcellio scaber: differentiations for mineralization with calcium phosphate and carbonate. " Arthropod Structure and Development, 65
Nutz B, Rupp U, Walther P, Ziegler A
