Selbstorganisation und Mechanik von Membran-assoziierten Aktomyosin-Netzwerken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andreas Janshoff; Professorin Dr. Claudia Steinem
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427751228

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Kortex tierischer Zellen ist ein dünnes, hochdynamisch vernetztes Aktin-Netzwerk, welches direkt mit der Plasmamembran verbunden ist. Obwohl bekannt ist, dass dieses Netzwerk für die Morphogenese und die Mechanik der Zelle von zentraler Bedeutung ist, ist das Verständnis darüber, wie die Plasmamembran die Organisation und das Verhalten des Kortex-Netzwerks beeinflusst, und wie sich diese Dynamik auf die mechanischen Eigenschaften und die Funktionalität der Zelle auswirkt, noch begrenzt. In diesem Projekt haben wir physiologisch inspirierte minimale Aktin-Kortices entwickelt, um diese Wissenslücken zu erforschen. Wir entdeckten, dass die Zusammensetzung der Membran die Menge des membrangebundenen Proteins Ezrin beeinflusst, das als Linker zwischen Membran und F-Aktin dient, und damit auch die Architektur des membrangebundenen Aktin-Netzwerks. Insbesondere Lipidspezies, die in der inneren Monoschicht der Plasmamembran von Säugetieren zu finden sind, orchestrieren die F-Aktin-Architektur und die kollektive Dynamik in Verbindung mit Myosin-II-Motoren. Zum Vergleich mit einer in vivo-Situation untersuchten und manipulierten wir natürliche Zellmembranfragmente unter Beibehaltung ihrer Kortices, um die Bedeutung der verschiedenen Komponenten in der mesoskopischen Organisation dieses dynamischen Netzwerks zu verstehen. Wir haben apikale und basale Membranfragmente aus lebenden Zellen hergestellt, die mikrometergroße Poren überspannen, und sie mit einer scharfen Spitze indentiert. Wir entwickelten ferner ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Indentation und Relaxation dieser porenüberspannenden Membranen, welches die viskoelastischen der Kortices erfasst und sie mit den Parametern intakter Zellen in Beziehung setzt. Wir untersuchten die Rolle der zytosolischen Aktin-Isoformen in der Kortex-Mechanik, indem wir sowohl bottomup-Ansätze als auch Indentations-Experimente an MDCK-II-Mutanten mit ausgeschalteter spezifischer Isoform anwandten. Wir fanden heraus, dass γ-Aktin den Kortex im Vergleich zu β-Aktin versteift, welches dazu neigt, eher Cluster als Netzwerke zu bilden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Viscoelasticity of Native and Artificial Actin Cortices Assessed by Nanoindentation Experiments. Nano Letters, 20(9), 6329-6335.
  Hubrich, Hanna; Mey, Ingo P.; Brückner, Bastian R.; Mühlenbrock, Peter; Nehls, Stefan; Grabenhorst, Lennart; Oswald, Tabea; Steinem, Claudia & Janshoff, Andreas
  
• Viscoelastic properties of epithelial cells. Biochemical Society Transactions, 49(6), 2687-2695.
  Janshoff, Andreas
  
• Viscoelasticity of basal plasma membranes and cortices derived from MDCK II cells. Biophysical Reports, 1(2), 100024.
  Janshoff, Andreas
  
• Epithelial cells fluidize upon adhesion but display mechanical homeostasis in the adherent state. Biophysical Journal, 121(3), 361-373.
  Nietmann, Peter; Bodenschatz, Jonathan E.F.; Cordes, Andrea M.; Gottwald, Jannis; Rother-Nöding, Helen; Oswald, Tabea & Janshoff, Andreas
  
• Epithelial cells sacrifice excess area to preserve fluidity in response to external mechanical stress. Communications Biology, 5(1).
  Bodenschatz, Jonathan F. E.; Ajmail, Karim; Skamrahl, Mark; Vache, Marian; Gottwald, Jannis; Nehls, Stefan & Janshoff, Andreas
  
• From LUVs to GUVs─How to Cover Micrometer-Sized Pores with Membranes. The Journal of Physical Chemistry B, 126(41), 8233-8244.
  Kramer, Kristina; Sari, Merve; Schulze, Kathrin; Flegel, Hendrik; Stehr, Miriam; Mey, Ingo; Janshoff, Andreas & Steinem, Claudia
  
• Bioinspired Membrane Interfaces: Controlling Actomyosin Architecture and Contractility. ACS Applied Materials & Interfaces, 15(9), 11586-11598.
  Liebe, Nils L.; Mey, Ingo; Vuong, Loan; Shikho, Fadi; Geil, Burkhard; Janshoff, Andreas & Steinem, Claudia
  
• Cytosolic actin isoforms form networks with different rheological properties that indicate specific biological function. Nature Communications, 14(1).
  Nietmann, Peter; Kaub, Kevin; Suchenko, Andrejus; Stenz, Susanne; Warnecke, Claas; Balasubramanian, Mohan K. & Janshoff, Andreas
  
• FERM domains recruit ample PI(4,5)P2s to form extensive protein-membrane attachments. Biophysical Journal, 122(7), 1325-1333.
  Ehret, Thomas; Heißenberg, Tim; de Buhr, Svenja; Aponte-Santamaría, Camilo; Steinem, Claudia & Gräter, Frauke
  
• HAV‐Peptides Attached to Colloidal Probes Faithfully Detect E‐Cadherins Displayed on Living Cells. Chemistry – A European Journal, 29(39).
  Toy, Silan; Dietz, Jörn; Naumann, Peter; Trothe, Janina; Thomas, Franziska; Diederichsen, Ulf; Steinem, Claudia & Janshoff, Andreas