WELT Wissen_2015_8

zellen zu komplexen Geweben, etwa zu Augen- oder Hirnstrukturen.
Bis vor Kurzem waren die genauen Mechanismen unbekannt,
mit denen Zellen die auf sie einwirkenden mechanischen
Kräfte in »Handlungsanweisungen« umsetzen. Doch
in den zurückliegenden Jahren sind meine Mitarbeiter und
ich auf Teile dieser Maschinerie gestoßen. Unsere Arbeiten
zeigen, dass die Proteine YAP und TAZ einen molekularen
Schalter bilden, der Kraftwirkungen an der Zelloberfläche registriert
und in biochemische Signale übersetzt, welche an
Gene im Zellkern übermittelt werden. Erfährt die Zelle beispielsweise
eine Dehnung, verändern YAP und TAZ ihre Aktivität
und schalten Erbanlagen ein, die das weitere Verhalten
der Zelle bestimmen. Zusammen mit den Arbeiten anderer
Wissenschaftler erlauben diese Erkenntnisse neue Einsichten
darüber, wie sich die Embryonalentwicklung abspielt,
wie Wundheilung funktioniert und wie der Körper ganz allgemein
die Funktion seiner Gewebe aufrechterhält. Daraus
ergeben sich neue Ansätze zur Krebsbehandlung und zur Organzüchtung
im Labor.
Vielerlei Gewalten
Im lebenden Körper wirken zahlreiche mechanische Prozesse
und Kräfte, von denen die meisten Menschen nur die offensichtlichsten
kennen, vor allem das Pumpen des Herzens,
die Kontraktion der Muskeln und den Blutfluss. Die makroskopischen
Effekte der damit einhergehenden Kontraktionen
und Dehnungen kennen Biologen schon lange. So fördert
die mechanische Belastung der Knochen bei körperlicher
Bewegung deren Mineralisierung und wirkt so der
Osteoporose entgegen. Die periodische Ausweitung der Blutgefäße
wiederum schützt vor Arteriosklerose.
Physikalische Kräfte beeinflussen den Körper jedoch auch
im mikroskopischen Maßstab und wirken auf jede seiner
rund 100 Billionen Zellen ein. Diese Kräfte ergeben sich aus
den Strukturen innerhalb der Körpergewebe. Jede Zelle besitzt
ein inneres Gerüst, das Zytoskelett. Es besteht aus spezialisierten
Proteinen, die wie Seile, Streben und Verankerungselemente
funktionieren. Das Zytoskelett gibt dem Zellkern,
den Organellen sowie der Zellmembran ihre Form.
AUF EINEN BLICK
SPIELBALL DER KRÄFTE
1Jede Zelle des menschlichen Körpers ist mechanischen Kräften
ausgesetzt, etwa Druck-, Zug-, oder Scherbelastungen. Diese
können die weitere Entwicklung der Zelle ebenso stark beeinflussen
wie die Erbanlagen.
2Zellen, die im Gewebeverband Platz haben, teilen sich häufiger
als solche, die eng aneinanderliegen. Dieser Mechanismus
sorgt unter anderem für die Regeneration von Körpergewebe.
3Ein zellulärer Schalter aus zwei Proteinen bildet das Bindeglied
zwischen den mechanischen und biologischen Prozessen. Er
kann darüber entscheiden, ob sich eine Zelle normal verhält oder
einen gefährlichen Tumor hervorbringt.
Menschliche neuronale Vorläuferzellen,
die frei in einem
Kulturgefäß schweben, bringen
hier binnen weniger Tage
die Anlage eines Auges hervor
(von links nach rechts).
YOSHIKI SASAI, RIKEN CENTER FOR DEVELOPMENTAL BIOLOGY
Adhäsionsproteine auf der äußeren Membranoberfläche
verbinden es mit der Außenwelt. Im Gewebeverband verankern
sie die Zelle in einem Geflecht äußerer Filamentpro -
te ine, der extrazellulären Matrix, die wiederum mit anderen
Zellen in Kontakt steht.
Das Zytoskelett und die extrazelluläre Matrix befinden
sich in einer Art ständigem Gezerre miteinander. So kann
eine Verformung der Matrix Adhäsionsproteine der Zelle
nach außen ziehen. Ohne entgegengesetzt gerichtete Kraft
würde das die Zelle dehnen. Letztere reagiert jedoch auf die
Zugbelastung mit einer gleich starken Kontraktion und dem
Umbau ihres Zytoskeletts. Dadurch bewahrt sie ihre Gestalt.
Dieser dynamische Prozess erlaubt es der Zelle, sich an wechselnde
mechanische Einflüsse anzupassen und gegebenenfalls
auch ihre Form zu ändern.
Schon in den 1970er Jahren bemerkten Wissenschaftler,
dass mechanische Einwirkungen auf das Zytoskelett und die
extrazelluläre Matrix eine sehr große Bedeutung für die Zellteilung
haben. Donald Ingber vom Wyss Institute for Biologically
Inspired Engineering an der Harvard University (USA)
und Fiona Watt vom King’s College London (England) haben
Methoden entwickelt, um die Form von Zellen gezielt zu verändern.
Dazu befestigen sie diese an unterschiedlich stark
klebenden Flecken aus Proteinen der extrazellulären Matrix,
die auf gläserne Objektträger aufgedruckt werden. Interessanterweise
teilen sich die Zellen nur dann, wenn großflächiger
Adhäsionskontakt es ihnen ermöglicht, sich auszustrecken
und abzuflachen. Finden die gleichen Zellen nur punktförmigen
Adhäsionskontakt, runden sie sich ab, teilen sich
nicht mehr und aktivieren genetische Programme, die sie
entweder ausreifen (differenzieren) lassen oder den programmierten
Zelltod einleiten.
Diese Beobachtungen erregten großes Aufsehen in der
Forschergemeinde. Doch sie ergeben kein vollständiges Bild.
Denn wenn mechanische Kräfte über die Reproduktion und
Differenzierung von Zellen bestimmen, dann müssen sie irgendwie
den Zellkern beeinflussen und die Aktivität der dort
vorhandenen Erbanlagen verändern. Welche Prozesse sind
dafür verantwortlich? Wie wird Zellmechanik in veränderte
Genaktivität übersetzt? Diese Fragen weckten das Interesse
von mir und meinen Kollegen an der Università degli Studi
22 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · AUGUST 2015