Biofysiker vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i Munch har utvecklat en ny teori, som står för observationen att celler kan uppfatta sina egna former, och använd denna information för att styra fördelningen av proteiner inuti cellen.

Många cellulära processer är kritiskt beroende av den exakta fördelningen och mönstret av proteiner på cellmembranet. Olika studier har visat att förutom protein-protein-interaktioner och transportprocesser, cellform kan också ha en betydande inverkan på intracellulär mönsterbildning. Omvänt, det finns mönsterprocesser där beroende av cellform skulle vara skadligt. Använda sjöstjärnande oocyter som ett modellsystem, LMU -fysiker under ledning av professor Erwin Frey har nu förklarat hur robusta proteinmönster kan uppstå inför drastiska förändringar i cellform. Som Frey och kollegor rapporterar en ny studie som visas i tidningen Naturfysik , en koncentrationsgradient som bildas i själva cellen kodar cellens forminformation och avkodas av självorganiserade proteinmönster.

Sjöstjärnsoocyter är relativt stora och transparenta, och är därför väl lämpade för biokemiska undersökningar. Strax före meiotisk celldelning, en våg av membranskontraktion passerar längs cellmembranet mot den position där cellen delar sig asymmetriskt. Denna sammandragningsvåg utlöses av det membranbundna enzymet Rho, vars aktivitet förökar sig som en puls över membranet. Vågen går från det som kallas oocytens vegetabiliska pol till djurpolen, där kärnan är placerad, och delar sig asymmetriskt när vågen kommer.

För att studera påverkan av förändringar i cellform på denna process, forskarna placerade enstaka äggceller i olika formade mikrokammare, vilket tvingar cellerna att anta den geometri som gränsen för varje behållare påtvingar. "Vi fann det, även om pulsen för Rho -aktivering förökar sig på ett på motsvarande sätt förändrat sätt i de deformerade cellerna, den når alltid den position där kärnan ligger, "säger Frey." Denna fascinerande observation visar att Rho -pulsen känner igen cellens form och anpassar sig till den. "

Självorganiserade proteinmönster kan avkoda information om cellformen

För att förstå mekanismen bakom denna anmärkningsvärda anpassningsförmåga, laget fortsatte med att utveckla en biofysisk teori som svarar för detta fynd. Modellen är baserad på den tidigare upptäckten att cellcykelregulatorn Cdk1 är asymmetriskt fördelad i äggcytoplasman, där den bildar en koncentrationsgradient som sträcker sig från kärnan in i cytoplasman och förfaller med tiden. Denna gradient gör det möjligt för proteinerna på membranet att anpassa sig till cellformen.

"Den viktigaste insikten är att proteinet som aktiverar Rho mäter gradienten nära membranet och markerar en tröskelkoncentration av gradienten:Det bildar en frontliknande koncentrationsprofil på membranet, så att fronten placeras exakt vid tröskelkoncentrationen. Vid denna främre position, Rho -aktivatorn, i tur och ordning, lokalt utlöser en aktivitetspuls för Rho. "säger Wigbers, en av de första författarna till artikeln. När lutningen förfaller, positionen för detta tröskelvärde rör sig med varierande hastighet längs membranet, beroende på cellform. Således, via denna hierarki av proteinkoncentrationsprofiler, forminformationen som kodas i gradienten omvandlas till ett mekanokemiskt svar - sammandragningsvågen som passerar över membranet.

"Våra resultat understryker betydelsen av självorganisationen av hierarkiska proteinmönster för förståelsen av biologiska funktioner, "säger Frey. I själva verket, författarna har integrerat två stora paradigm inom proteinmönsterbildning-självorganisation baserad på reaktionsdiffusionsmekanismer och utnyttjande av positionsinformation. "Vi tror att en sådan mekanism, som använder en hierarki av proteinmönster för att koda information som återspeglar cellform, kan representera en allmän fysisk princip för igenkänning och reglering av cellform, "Avslutar Frey.