Wie Abwehrzellen sich orientieren

HZI-Wissenschaftler haben ein Modell entwickelt, mit dem sich die Bewegungsfähigkeit von Immunzellen untersuchen lässt

26.10.2016

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer normalen dendritischen Zelle mit multiplen segelartigen Lamellipodien (links) und einer Hem1-Knockout-Zelle (rechts), der diese Strukturen fehlen.…

© IST/Alexander LeithnerRasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von einer normalen dendritischen Zelle mit multiplen segelartigen Lamellipodien (links) und einer Hem1-Knockout-Zelle (rechts), der diese Strukturen fehlen.

Wenn sich bestimmte Zellen des Immunsystems auf der Suche nach Krankheitserregern durch die Gewebe des Körpers bewegen, bilden sie dabei Ausstülpungen an ihrer Vorderseite. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig haben nun gemeinsam mit Kollegen des Institute of Science and Technology Austria (IST) bei Wien herausgefunden, dass die Zellen ohne diese Ausstülpungen ihre Orientierung verlieren. Die Ergebnisse ihrer Kooperation haben die Forscher jetzt im renommierten Fachjournal Nature Cell Biology veröffentlicht.

Dendritische Zellen erfüllen im Immunsystem eine zentrale Aufgabe: Sie nehmen Krankheitserreger auf und präsentieren die Information darüber anschließend auf ihrer Oberfläche. Andere Zellen des Immunsystems werden dadurch aktiviert und starten ein langfristiges Programm zur Bekämpfung der Erreger, das letztendlich zur Immunität führen kann. Dendritische Zellen sind dementsprechend sowohl Teil des angeborenen Immunsystems, also der „schnellen Eingreiftruppe“, als auch Vermittler der anpassungsfähigen, im Laufe des Lebens erworbenen Immunantwort. Für beide Aufgaben sind Formänderungen der Zelle und Zellbewegungen notwendig. Diese Bewegungen gehen normalerweise mit der Bildung sogenannter Lamellipodien einher. Das sind breite und flache Fortsätze der Zelloberfläche, die manchmal an Zungen und manchmal an Segel erinnern und vor allem bei schnellen Formänderungen an der Vorderseite von Zellen auftreten.

Die Wissenschaftler der Abteilung Zellbiologie um Prof. Theresia Stradal am HZI in Braunschweig haben ein Zellmodell entwickelt, dem die Fähigkeit zur Bildung dieser „Ausstülpungen“ vollständig fehlt. Dazu haben sie ein einziges Gen, Hem1, in Mäusen ausgeschaltet (Hem1-Knockout) und konnten nachweisen, dass dadurch der gesamte Signalweg zur Ausbildung von Lamellipodien in Immunzellen blockiert ist. „Zellen können bei der Fortbewegung über verschiedene Signalwege unterschiedliche Fortsätze bilden, neben Lamellipodien zum Beispiel auch fingerförmige Filopodien oder bläschenartige Ausstülpungen, die Blebs genannt werden“, sagt Stradal. „Wir wollten klären, ob Lamellipodien unabdingbar für bestimmte Zellbewegungen sind und welche spezifische Rolle sie bei der Zellwanderung haben.“

Die Forschungsgruppe Morphodynamik von Immunzellen um Prof. Michael Sixt am Institute of Science and Technology Austria (IST) bei Wien ist auf die Analyse von dendritischen Zellen spezialisiert und hat Zellwanderung und Zellbewegungen in Mauszellen untersucht, denen das Gen Hem1 fehlt. Die Ergebnisse der Untersuchungen dieser Arbeitsgruppe erlauben nun ganz neue Einblicke in die Mechanismen der Zellwanderung: Dendritische Zellen, die darauf spezialisiert sind, sich ohne feste Anhaftung wie ein Freikletterer einen Weg durch die netz- und höhlenartigen Strukturen im Gewebe zu suchen, können ohne Lamellipodien sehr effizient wandern. Im komplexen Gewirr der Fasern und Zellen laufen sie aber in die Irre, bis sie in zu engen Poren und Gassen stecken bleiben. Michael Sixt vergleicht sie mit Autos, die ohne Scheinwerfer durch ein Labyrinth fahren: „Der Heckantrieb funktioniert wunderbar ohne Lamellipodien, aber das Werkzeug, mit dem sie sich durch die Umwelt tasten, fehlt. Sie sind sozusagen blind für die Geländestruktur.“

Die beschriebene Analyse der dendritischen Zellen ist ein erster Schritt, die Rolle des Hem1-Gens in der Immunabwehr zu entschlüsseln. Weitere Untersuchungen der spezifischen Hem1-Funktionen bei Entzündungen und der Bekämpfung von viralen und bakteriellen Erregern mithilfe des neuen Knockout-Modells in unterschiedlichsten Zelltypen des Immunsystems sind bereits in vollem Gange.

Originalpublikation:

Leithner, A., Eichner, A., Müller, J., Reversat, A., Brown, M., Schwarz, J., Merrin, J., de Gorter. D.J.J., Schur, F., Bayerl, J., de Vries, I., Wieser, S., Hauschild, R., Lai, F.P.L., Moser, M., Kerjaschki, D., Rottner, K., Small, J.V., Stradal, T.E.B., and Sixt, M.: Diversified actin protrusions promote environmental exploration but are dispensable for locomotion of leukocytes, Nature Cell Biology, DOI: 10.1038/ncb3426

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