Clustering und Mobilität in der Zellmembran
Die Bildung transienter und stabiler Signalplattformen bzw. Gruppen von Molekülen spielt offenbar bei der Etablierung von Zellpolarität eine Rolle, d.h. der asymmetrischen Anordnung aller zellulären Komponenten. Polarität ist für die Funktion vieler, wenn nicht sogar aller Zelltypen von Bedeutung, und so beeinflussen Signalplattformen direkt oder indirekt zahlreiche Zellfunktionen. Obwohl die in zelluläre Plasmamembranen eingebetteten Komponenten wichtige Funktionen haben, sind die grundlegenden Mechanismen ihrer Bildung und Dynamik noch kaum erforscht. So sollte das EU-finanzierte Projekt MODELLING DIFFUSION mathematische Modelle der Diffusion von Protein-Lipid-Clustern in inhomogenen Membranen entwickeln. Zunächst wurde ein mathematisches Modell für die frühen Entwicklungsphasen neuronaler Polarität entwickelt. Normalerweise besitzt eine Zelle ein Axon, das Signale sendet, und einen Dendritenbaum, der Signale empfängt, und beide ragen an gegenüberliegenden Seiten des Zellkörpers heraus. Die Bildung der Axone und Dendriten ist einer der kritischsten Schritte in der Hirnentwicklung. Umfangreiche Analysen der Gleichgewichtspunkte und Verzweigungen ließen Rückschlüsse über die spontane Symmetriebrechung zu, die in der unabhängigen Fachzeitschrift PLoS ONE vorgestellt wurden. Das Team entwickelte dann eine stochastische Version des deterministischen Modells. Im letzteren Fall wird gezeigt, dass die Bildung einer einpoligen molekularen Asymmetrie sehr robust gegenüber Rauschen ist. Ferner wurde der Bereich der Selbstorganisation größer, und die neuronale Polarisation könnte sogar mit verminderter Rückkopplungsstärke einhergehen. Auch diese Arbeit wurde in einer unabhängigen Fachzeitschrift veröffentlicht (Eur. Phys. J. B). Die Forscher analysierten ferner die Diffusion eines der wichtigsten exzitatorischen Neurotransmitterrezeptoren (Glutamat) und suchten nach Unterschieden bei der Diffusion in gerade gebildeten und älteren Neuronen während der Glutamataktivierung. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt "EMBO Molecular Medicine" vorgestellt. Für die Datenauswertung des Single Particle-Tracking wurde eine Software-Anwendung für MATLAB entwickelt (APM_GUI), die unter den Bedingungen der GNU General Public License lizenziert wird. Der Algorithmus wurde im unabhängigen Fachblatt "BMC Biophysics" veröffentlicht. Derzeit analysiert das Team Veränderungen der Membrandiffusion bei einem wichtigen Target und Signalweg der Phosphorylierung. Untersucht wird die mögliche Korrelation zwischen altersbedingten Veränderungen der Diffusionsmuster und kognitivem und motorischem Leistungsabfall. Die mathematischen Modelle der Zellpolarität, die im Rahmen von MODELLING DIFFUSION erstellt wurden, geben Einblicke in Diffusionsmechanismen in Zellmembranen. Mit dem Fokus auf Clusterbildung und –erhalt wurde damit der Kenntnisstand über Entwicklungsprozesse, normale Funktion, Altern und Krankheit erweitert.
Schlüsselbegriffe
Zellmembran, Proteine, Lipide, Diffusionsmechanismen, Zellpolarität
