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Neues aus der Fa­kul­tät

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Echtzeit-Kon­trol­le der Dynamik eines Si­gnal­netz­werks mit Licht

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  • Neues aus der Fa­kul­tät 2020
Portrait Leif Dehmelt © Nikolas Golsch​/​TU Dort­mund
Dr. Leif Dehmelt ist Privatdozent an der Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie der TU Dort­mund und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie.

Einzelne Zellen generieren sehr dynamische Kontraktionen, wodurch sie ständig ih­re Form ändern, wie zum Beispiel in der Embryonalentwicklung oder der Tumorprogression. In einer aktuellen Publikation der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Cell Reports kom­bi­niert ein internationales For­scher­team unter der Leitung von Leif Dehmelt ex­peri­men­telle und theoretische Ansätze, um diese komplexen Prozesse besser zu verstehen.

In der neuen Studie setzt die Dehmelt Gruppe Mikroskopie-basierte, Licht-schaltbare Störungsmethoden ein, um ein Signalnetzwerk, welches die Zellkontraktion steuert, gezielt und akut in einzelnen, le­ben­den Zellen zu manipulieren. Gleichzeitig wurde die dynamische Antwort dieses Si­gnal­netz­werks gemessen, um Rück­schlüsse auf die Signalverarbeitung in Zellen zu ermöglichen. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein theoretisches Modell erstellt, welches die Komponenten und Interaktionen des Si­gnal­netz­werks quantitativ be­schreibt. Ein zentraler Aspekt dieses Netzwerks sind positive und ne­ga­ti­ve Rückkopplungs-Schleifen, welche hoch-dynamische Zellkontraktions-Pulse generieren, die in zahl­rei­chen physiologischen Prozessen beobachtet wer­den. Das theoretische Modell ermöglichte Vor­her­sagen, wie die Dynamik dieses Si­gnal­netz­werks auf gezielte Stö­run­gen der Rückkopplungs-Schleifen reagiert. Mithilfe einer licht-basierten Fein-Abstimmung des Si­gnal­netz­werks in einzelnen le­ben­den Zellen konn­ten diese Vor­her­sagen bestätigt wer­den. Durch diese Tech­nik, welche als „Optogenetic Tuning“ bezeichnet wird, hat die Dehmelt Gruppe ent­deckt, dass das Signalnetzwerk be­son­ders intensive Kontraktionspulse bei mittleren Konzentrationen des Signalproteins GEF-H1 generiert. Solche Pulse spielen ins­be­son­de­re in der Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle. Die Sensitivität des Si­gnal­netz­werks, um mechanische und biochemische Signale zu ver­ar­bei­ten ist hingegen bei niedrigen Konzentrationen dieses Signalproteins maximal. Dieser Prozess, welcher als Mechanotransduktion bezeichnet wird, spielt zum Beispiel im Tumorwachstum eine wichtige Rolle. Die neuen theoretischen und experimentellen Erkennt­nisse der Dehmelt Gruppe bilden die Grundlage um auch komplexere Prozesse in der Embryonalentwicklung und der Tumorentstehung besser zu verstehen.

Regelmäßige Pulse des Zellkontraktionsregulators Rho (grün) und zeitlich verzögerte Pulse des Motorproteins Myosin (magenta), welches kontraktile Kräfte generieren kann © Leif Dehmelt​/​TU Dort­mund

Regelmäßige Pulse des Zellkontraktionsregulators Rho (grün) und zeitlich verzögerte Pulse des Motorproteins Myosin (magenta), welches kontraktile Kräfte generieren kann

Publikation:

Kamps et al.,
Optogenetic Tuning Reveals Rho Amplification-Dependent Dynamics of a Cell Contraction Signal Network.
Cell Reports 33:108467 (2020)
DOI

 

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