Die Rolle der Intermediärfilamente für die Stressresistenz von 3D epithelialen Strukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es ist allgemein akzeptiert, dass Intermediärfilamente (IF) beim Schutz von Zellen vor großen und schnellen Verformungen eine Schlüsselrolle spielen. Dabei ist aber wenig bekannt, wie genau sie diese Funktion erfüllen. Langzeit Dehnungsexperimente and MDCK-Monozellschichten haben gezeigt, dass supergedehnte Zellen das besondere Merkmal von radial orientierten Keratin Bündeln mit einem zentralen Knoten besitzen. Diese einzigartigen Keratin IF Strukturen stehen im Kontrast zu dem typischen Felge-und-Speichen Netzwerk von Zellen in spannungslosen Monozellschichten. Darauf aufbauend haben wir die Hypothese erstellt, dass bei Epithelzellen ein Keratinbündelungsübergang als Sicherheitsnetzmechanismus stattfindet. Um diese Hypothese zu testen, haben wir einen mikrofluidischen Chip entwickelt, mit dem man epithele Monozellschichten auf kontrollierte Art und Weise dehnen kann. Diese Experimente offenbaren, dass der Keratinbündelungsübergang ein langsamer Prozess in der Größenordnung mehrerer Stunden ist und typischerweise mehrere Dehnungsvorgänge erfordert. Eine Auflösung des Aktinkortex durch hohe Konzentrationen von Latrunculin A führt zu einer drastischen Reorganisation der Keratin IF innerhalb von Minuten. Allerdings unterscheiden sich hierbei die resultierenden Strukturen von denen in unbehandelten supergedehnten Zellen, welche eine regelmäßigere Bündelstruktur besitzen. Um die Verbindung zwischen Keratin und dem Aktinkortex spezifischer zu schwächen, haben wir den Aktin-IF Linker Plektin ohne dessen IF- Bindungsdomäne eingeführt. In diesem Fall findet der Bündelungsübergang mit den gleichen Charakteristiken wie beim supergedehnten Kontrollfall statt, benötigt dafür aber weniger Zeit. Um einen potenziellen Nutzen des Bündelungsübergangs zu ergründen, haben wir uns zum Schluss auf den Zellkern fokussiert. Hierbei zeigte sich, dass der Zellkern während des Bündelübergangs seinem Keratin Käfig entkommt, bis er auf den ausschließlich im basalen Bereich befindlichen Bündelstrukturen sitzt. Zusammengefasst deuten diese Erkenntnisse darauf hin, dass der Bündelungsübergang durch ein strukturelles Versagen des Aktinkortex verursacht wird und dabei möglicherweise den mechanischen Stress auf den Zellkern verringert. Diese Deutung wird zudem durch ein mehrskaliges Computermodell, welches die Interaktionen zwischen Keratin IF und dem Zellkern, Desmosomen und dem Aktinkortex simuliert, unterstützt. Daraus schließen wir das der Bündelungsübergang kein Sicherheitsnetzmechanismus, sondern eher ein Langzeit Stressanpassungsmechanismus ist. Dies wirft ein neues Licht auf unser Verständnis darüber, wie Intermediärfilamente Zellen vor großen Deformationen beschützen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mapping mechanical stress in curved epithelia of designed size and shape. Nature Communications, 14(1).
Marín-Llauradó, Ariadna; Kale, Sohan; Ouzeri, Adam; Golde, Tom; Sunyer, Raimon; Torres-Sánchez, Alejandro; Latorre, Ernest; Gómez-González, Manuel; Roca-Cusachs, Pere; Arroyo, Marino & Trepat, Xavier
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Nonaffine Mechanics of Entangled Networks Inspired by Intermediate Filaments. Physical Review Letters, 131(5).
Pensalfini, Marco; Golde, Tom; Trepat, Xavier & Arroyo, Marino
