Was passiert, wenn Zellen Schaden nehmen? Understand article

Übersetzt von Daniel Busch. Wissenschaftler schlagen eine neue Hypothese vor, um eines der großen bestehenden Rätsel der tierischen Evolution zu lösen.

Kintsugi ist eine alte japanische Kunst der Reparatur zerbrochener Keramik mit der Hilfe von Gold oder anderen kostbaren Materialien. Die tieferliegende Philosophie dahinter ist, dass Bruchstellen und ihre Reparatur integrale Teile des Lebens eines Objekts sind und sogar zu einem sehr viel wertvolleren Objekt führen können. Nach einer Hypothese entwickelt von Detlev Arendt und Thibaut Brunet am European Molecular Biology Laboratory (EMBL)w1 in Heidelberg, Deutschland, könnten ursprüngliche eukaryotische Zellen einen ähnlichen Prozess von Beschädigung und Reparatur durchlaufen haben, der, über die langen Zeiträume der Evolution, in hochspezialisierten Nerven- und Muskelzellen resultiert haben könnte. (Brunet & Arendt, 2016).

Ein zelluläres Gift

Wen nein Neuron oder eine Muskelzelle in unserem Körper ein Signal erkennt, erlaubt es einigen Ionen wie Natrium und Calcium, die Zellmembran nach innen zu durchtreten. Diese nach innen gerichteten Molekülflüsse lösen präzise Antworten aus, die Muskelzellen kontrahieren und Nervenzellen Chemikalien ausschütten lassen, die für die Zell-Zell-Kommunikation verantwortlich sind. Die Evolution des zentralen Nervensystems hin zu der Nutzung dieser chemischen Auslöser bleibt ein Mysterium, aber Detlev und Thibaut kommen einer Antwort näher.
 

Artistic impression of a network of neurons. The branched extensions, known as dendrites, transmit impulses to the cell body.
Künstlerische Darstellung eines Netzwerks von Neuronen. Die zweigartigen Fortsätze, bekannt als Dendriten, übertragen Impulse zum Zellkörper.
Mit freundlicher Genehmigung von Scott Ingram; Bildquelle: Flickr
 

In hohen Konzentrationen ist Calcium für alle lebenden Zellen schädlich, da es unlösliche Aggregate mit Molekülen ausbildet, die für Überleben der Zellen elementar sind. Deswegen kann Calcium in der Zelle bis zu 10.000-mal geringer konzentriert sein als im Blut. Man halt die chemische Zusammensetzung moderner Zellen für einen Fingerabdruck der Zusammensetzung der Umwelt zu dem Zeitpunkt als das Leben von mehr als 3,5 Milliarden Jahren begann. Da sie für kleinere Moleküle durchlässig waren, hatten die ersten Zellen die gleiche chemische Zusammensetzung wie die wässrige Umgebung in der sie lebten. In dieser herrschte eine geringe Calciumkonzentration. Als die ursprünglichen Zellen wahrscheinlich vor 1,5 Milliarden Jahren erstmals mit Umgebungen in Kontakt kamen, die reich an Calcium waren, mussten sie eine Möglichkeit entwickeln, sich vor dem toxischen Molekül zu schützen. Da eine der Hauptrouten für Calcium-Einstrom der Riss in der Membran ist, glauben Wissenschaftler, das seine sehr wichtige zelluläre Antwort ein Gegenwirken gegen Membranschädigungen war.

“Wenn man sich die eukaryotischen Zellen von Algen zu Nervenzellen anschaut, fällt auf, dass die Mehrheit der Moleküle die eine Zelle kontrahieren lassen, sensibel auf Calcium reagieren. Wir spekulierten also, dass Zellkonstriktion sich anfangs entwickelt als Antwort auf den Einstrom eines externen Giftes entwickelt hat, um Membranbrüche zu verschließen”, sagt Thibaut. “Das war ein bisschen ein Schuss ins Blaue, aber als wir die Literatur sichteten, um diese Hypothese zu testen, waren wir erfreut zu sehen, dass sie wirklich stimmt!”

Der Weg zu Neuronen und Muskeln

Nach einem Bruch der Zellmembran, lagern sich zwei calcium-sensitive Proteine, Aktin und Myosin, ringförmig um die Membranwunde an. Das Gitternetz, das von Aktin und Myosin gebildet wird, zieht sich zusammen, was dazu führt, dass sich die Membran ebenfalls zusammenzieht und die Wunde nach und nach verschließt. Calcium lost ebenso die Abgabe von blasenartigen Strukturen, den Vesikeln, aus. Diese Vesikel sind reich an Fettmolekülen, die der kaputten Membran als Bausteine zur Verfügung stehen. Die Wissenschaftler glauben, dass dieser Wundheilungsmechanismus die erste Notfallantwort uralter Zellen auf einen Calciumeinstrom gewesen sein könnte.

A 3-day-old larva of Platynereis: muscles are shown in red and the nervous system in green.
Eine drei Tage alte Larve von
Platynereis: Muskeln sind rot
dargestellt, das
Nervensystem in grün.

Mit freundlicher Genehmigung
von Thibaut Brunet / EMBL

Wie so häufig während der Evolution entwickelte sich dieser Prozess – der ursprünglich der Membranreparatur diente – in einem anderen Kontext weiter. Membrankontraktion, die die Zelle deformiert, wurde zu einem Bewegungsmechanismus von Zellen. Die Abgabe von Molekülen durch Vesikelsekretion wurde ein kraftvoller Weg der Kommunikation mit anderen Zellen.

Als ihre Komplexität anstieg, bauten ursprüngliche Zellen Systeme auf, die Kontraktion und Sekretion durch die Simulation von Membranbrüchen durch einen kontrollierten Calciumeinstrom, kontrollierten. Dieses System entwickelte sich weiter und der Ioneneinstrom konnte aktiv zur Auslösung eines Aktionspotentials amplifiziert werden – einem kurzen elektrischen Signal, dass sich schnell über die Zellmembran ausbreiten kann und die Aktivierung von Kontraktion und Sekretion auslöst. Ursprüngliche Zellen waren nun multitaskingfähig: sie konnten ein Aktionspotential generieren, das seine Kontraktion derselben Zelle zur Folge hatte. Aktionspotentiale stimulierten auch die Ausschüttung von Vesikeln, die mir Chemikalien gefüllt waren, die für die Zell-Zell-Kommunikation notwendig waren, was ein Ausbreiten der Fähigkeit zur Kontraktion auch an die Nachbarzellen weitergab.

Einige dieser Vorläuferzellen entwickelten sich später durch Arbeitsteilung weiter zu zwei bestimmten Typen von Zellen: sie haben sich buchstäblich in zwei Äste aufgespalten: kontraktile und mechanosensorische Zellen. An einem Ast haben sich die kontraktilen Zellen, deren Primäraufgabe ihre Kontraktion war, zu Muskelzellen entwickelt. Am anderen Ast haben sich die mechanosensorischen Zellen mit ihrer Spezialisierung auf die Generierung von Aktionspotentialen und der Ausschüttung von Vesikeln zur Zell-Zell-Kommunikation zu den Nervenzellen entwickelt, die wir heute kennen. Aber die ursprünglichen Leitungsbahnen blieben bestehen: auch heute noch sind Nerven- und Muskelzellen auf den kontrollierten Einstrom eines starken Zellgifts – Calcium – angewiesen, um über Kontraktion oder Sekretion zu entscheiden.

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References

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Institution

EMBL

Author(s)

Giorgia Guglielmi wurde in Apulien, einer sonnigen Region in Süditalien geboren und erhielt ihren Bachelor- und Masterabschluss an der Universität Rom ‘Tor Vergata’. Danach schloss sie sich der Developmental Biology Unit am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, Deutschland an, um herauszufinden, wie Embryos geformt sind. Georgias Versuche, Zellkontraktion in individuellen Drosophila-Zellen mithilfe von Lasern zu kontrollieren hat ihr den Spitznamen „Fly Zapper“ und einen Doktortitel summa cum laude in Biologie eingebracht. Angemessen für jemanden so begeistert von wissenschaftlicher Kommunikation, ist Georgia mittlerweile am Massachusetts Institute of Technology im Post-Doc Programm Wissenschaftliches Schreiben eingeschrieben. Wenn sie nicht am MIT ist (guglielm@mit.edu), findet man sie entweder auf Twitter @GiorgiaWithAnI oder auf ihrem Fahrrad irgendwo in Massachusetts.


Review

Kannst du dich an eine Hürde oder Schwierigkeit erinnern, die du gemeistert hast, was dich letztendlich starker machte? Diesem Artikel zufolge könnten ursprüngliche eukaryotische Zellen Zyklen von Beschädigung und Reparatur durchlaufen haben, die dank der Evolution zu spezialisierteren Zellen geführt haben.

Die im Artikel diskutierten Ideen können im Biologieunterricht der Sekundarstufen genutzt werden, besonders dann, wenn Biochemie und Evolution behandelt werden. Der Text stellt außerdem heraus, dass chemische Reaktionen und physikalische Prozesse eine zentrale Rolle in zellulären Prozessen spielen.

Vor dem Lesen des Artikels könnten Schülerinnen und Schüler darüber nachdenken, was die Evolution von einfachen zu komplexeren eukaryotischen Zellen ausgelöst haben könnte.

Neben der Verwendung des Textes als Übung des Leseverstehens, kann er dabei helfen, das Bewusstsein für die Bedeutung der Evolution für das Leben auf unserem Planeten schärfen. Mögliche Diskussionsfragen könnten sein:

  • Wie reagieren Neurone oder Muskelzellen, wenn die ein Signal erkennen?
  • Warum sind hohe Calciumkonzentrationen für alle Lebewesen schädlich?
  • Was ist die Rolle von Aktin- und Myosinproteinen nach dem Bruch einer Membran?
  • Wie kommunizieren Zellen miteinander?
  • Was ist ein Aktionspotential?

Mireia Güell Serra, Spanien



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