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A multidisciplinary approach to cell division: From human oocyte to synthetic biology

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EU-Ausbildungsnetz ermöglicht neues Verständnis der Zellorganisation

Europäische Forscherinnen und Forscher aus einem breiten Spektrum an Disziplinen haben sich zusammengeschlossen, um die Geheimnisse hinter den Mechanismen und Prinzipien der Zellteilung zu enträtseln.

Gesundheit

Die Zellteilung tritt während des Gewebewachstums und der zellularen Reproduktion ein und wird durch eine Reihe von Genen und Proteinen genau überwacht. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Zellteilung: die Mitose, bei der sich Zellen teilen, um identische Tochterzellen zu produzieren, und die Meiose, bei der Zellen Ei- und Samenzellen mit dem halben Chromosomensatz erzeugen. Fehler während des Zellteilungsvorgangs führen zu Veränderungen des Chromosomensatzes oder zur Segregation der Tochterzellen. Dies kann große Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, da Krebs, Fehlbildungen während der Entwicklung und eine geringere Fruchtbarkeit die Folge sein können. Für die Zellteilung hat die Mitosespindel – eine Struktur, die vor allem für die Chromosomentrennung zuständig ist und aus Mikrotubuli, molekularen Motoren und Mikrotubuli-bindenden Faktoren besteht – wesentliche Bedeutung. Das mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Programm durchgeführte Projekt DivIDe ist ein europäisches Ausbildungsnetz bestehend aus elf internationalen Nachwuchsforscherinnen und Nachwuchsforschern, die sich dem Thema der Zellteilung widmeten und die funktionale Bedeutung von Tubulin, dem zentralen Baustein von Mikrotubuli, unter Verwendung komplementärer und interdisziplinärer Verfahren, Ansätze und experimenteller Modellsysteme aus einer anderen Perspektive untersuchten.

Selbstorganisation inspiriert Biologie

Die Mitosespindel ist eine der Zellstrukturen, welche die Fähigkeit von biologischer Materie zur Selbstorganisation durch Anordnungen dynamischer Protein-Protein-Wechselwirkungen am besten repräsentiert. „Die Komplexität und das dynamische Verhalten der Mitosespindel regt die Vorstellungskraft der Forscherinnen und Forscher in der synthetischen Biologie und Modellierung an. Diese ,molekularen Ingenieure‘ versuchen die Prinzipien der Selbstorganisation zu verstehen und zu nutzen, um neue biologische Strukturen zu erschaffen“, erklärt Netzwerkkoordinatorin Isabelle Vernos. Das Konsortium zielte deshalb darauf ab, ein neues Verständnis der Zellteilung zu gewinnen, indem die Proteine ermittelt wurden, die für die Spindelelongation während der Meiose und für die Polyglutamylierung von Mikrotubuli der Spindel verantwortlich sind, die während der Mitose essenziell für eine getreue Chromosomensegregation sind. Außerdem wurden die ersten kompletten 3D-Rekonstruktionen von Metaphase- und Anaphase-Spindeln in einer menschlichen Zelllinie erreicht. Darüber hinaus entwickelten die Projektpartner eine neue Methode zur Tubulinreinigung bei Säugetierzelllinien. „Man wandte einen Satz präzise definierter posttranslationaler Modifikationen an und maß direkt, wie diese Modifikationen die Wechselwirkungen mit einem Panel von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen regulieren“, erklärt Vernos.

Neue Methoden und gewonnene Erkenntnisse

Die Forscherinnen und Forscher erstellten ein mathematisches Modell, um zu erklären, wie sich Motorproteine, dynamische Filamente und Mikrotubuli zur Bildung einer elongierenden Spindel assemblieren, und sie nutzten einen auf künstlicher Intelligenz basierenden Klassifikator, um den Effekt spezifischer Ziele bei der Zellteilung besser vorherzusagen. Ferner wurde eine Mikrofluidikvorrichtung zur Regulierung molekularer Prozesse entwickelt, die es ermöglicht, eine Zellprobe unter dem Mikroskop mit anderen Puffern zu durchdringen und ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung herzustellen. DivIDe demonstrierte, dass diese Kombination aus verschiedenen Fachkenntnissen und Gebieten essenziell ist, um Fragen der Zellteilung anzugehen. „Beleg hierfür ist die Generation neuen Wissens, neuer Methodiken und Protokolle, neuer Erkenntnisse und neuer Ausbildungsansätze“, merkt Projektleiterin Natalia Dave Coll an. „Abgesehen von der Wissenschaft gibt es mehrere Interessengruppen, die potenziell interessiert sein könnten, darunter die Mikroskopie- und die Mikrofluidikindustrie sowie die Arzneimittel- und die Medizin-Community.“ Darüber hinaus hat DivIDe den Horizont der beteiligten Forschungsstipendiatinnen und -stipendiaten erweitert, da diese über berufliche Möglichkeiten informiert wurden, die ihnen innerhalb und außerhalb der akademischen Welt zur Verfügung stehen. „Am Ende des Projekts führten wir eine interne Umfrage durch, und über 50 % unserer Stipendiatinnen und Stipendiaten gaben an, dass sie über die Möglichkeit nachdächten, Unternehmerinnen und Unternehmer zu werden, was ungeachtet der kleinen Stichprobenmenge ziemlich bezeichnend ist“, merkt Dave Coll an.

Schlüsselbegriffe

DivIDe, Zellteilung, Proteine, Ausbildung, Chromosom, Mitosespindel, Mitose, Meiose, Mikrotubulus

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