Zellen zum Tanzen bringen, um die Organisation von Geweben zu verstehen

Mechanische Wechselwirkungen zwischen Zellen spielen eine wichtige Rolle bei der Selbstorganisation von Geweben. Ihre Koordination bleibt jedoch in drei Dimensionen nur wenig verstanden.

In einer im Fachjournal Nature Physics veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler mit einem originellen dreidimensionalen Kultursystem gezeigt, wie die Symmetriebrechung der Zellpolarität Bewegung auslöst und so das hundertjährige Prinzip von Curie bestätigt.


Zellen teilen sich, bewegen sich und haften aneinander. Diese Dynamiken beinhalten komplexe mechanische Wechselwirkungen in drei Dimensionen. Während die Hauptakteure auf molekularer Ebene identifiziert sind, sind die Regeln der Selbstorganisation bis heute wenig bekannt. Diese Einschränkung erfordert die Entwicklung einfacher Systeme zur Bestimmung der wesentlichen Mechanismen, die diese Bewegungen diktieren.

In dieser Studie entwickelten die Wissenschaftler ein experimentelles System, das den zugrundeliegenden Mechanismus aufzeigte. Sie platzierten Paare von Epithelzellen in einer dreidimensionalen Matrix. Myosinaggregate in jeder der beiden Zellen übten lokale Belastungen auf die extrazelluläre Matrix und auf die adhärenten Verbindungen zwischen den Zellen aus, was deren lokale Haftung verstärkte. Diese Verteilungen erzeugen Zellpolaritäten, die die Symmetrie des Paares brechen und deren Rotation verursachen.

"Die Symmetrieelemente der Ursachen müssen sich in den produzierten Effekten widerspiegeln"

Diese Hypothese wurde experimentell überprüft. Wenn das Myosinaggregat lokal durch Laseraplation entfernt wird, stoppt die Rotation. Wird ein Aggregat durch die lokale Aktivierung der GTPase Rho erzeugt, ändert sich die Bewegung vorhersagbar. Beide experimentellen Veränderungen sind reversibel, wenn die Aggregate in ihre Kontrollposition zurückkehren. Diese Ergebnisse zeigen, dass Myosinaggregate diese Rotation antreiben. Auffallend ist, dass die Position der Aggregate, die Verformungen der Schnittstelle und die Rotation eindeutig gekoppelt sind.

Diese Gradienten der kortikalen Spannung wurden in ein Modell integriert, das die Rotation und die verschiedenen Experimente quantitativ reproduziert. Um einen Schritt weiter zu gehen, nutzten die Forscher das Curie-Prinzip von 1894, das postuliert: "Wenn bestimmte Ursachen bestimmte Effekte erzeugen, müssen sich die Symmetrieelemente der Ursachen in den produzierten Effekten widerspiegeln." Diese Regel wird für das Zellpaar mit den Symmetrien der Zellpolarität und den Symmetrien der Schnittstellenverformung bestätigt.

Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für das allgemeine Verständnis von Zellbewegungen. Sie könnten es ermöglichen, die Dynamiken von Geweben in drei Dimensionen unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen.

Referenz:
Mehr erfahren: Lu et al. (2024). Polarity-driven three-dimensional spontaneous rotation of a cell doublet. Nature Physics.
Online veröffentlicht am 13. Mai 2024. Polarity-driven three-dimensional spontaneous rotation of a cell doublet.