Zellen machen vor der Mitose eine kleine Reinigung

MIT-Forscher haben entdeckt, dass Zellen, bevor sie sich zu teilen beginnen, ein wenig aufräumen, indem sie Moleküle wegwerfen, die sie anscheinend nicht mehr brauchen.

Mit einer neuen Methode, die sie zur Messung der Trockenmasse von Zellen entwickelt haben, fanden die Forscher heraus, dass Zellen etwa 4 Prozent ihrer Masse verlieren, wenn sie in die Zellteilung eintreten. Die Forscher glauben, dass diese Müllentleerung den Zellen hilft, ihren Nachkommen einen “Neuanfang” zu ermöglichen, ohne den angesammelten Müll der Elternzelle.

Unsere Hypothese ist, dass Zellen möglicherweise Dinge auswerfen, die sich aufbauen, toxische Komponenten oder einfach Dinge, die nicht richtig funktionieren, die Sie dort nicht haben wollen. Es könnte ermöglichen, dass neugeborene Zellen mit funktionelleren Inhalten geboren werden.”

Teemu Miettinen, MIT-Forscher und Hauptautor der neuen Studie

Scott Manalis, der David H. Koch-Professor für Ingenieurwissenschaften in den Abteilungen Bioingenieurwesen und Maschinenbau und Mitglied des Koch-Instituts für integrative Krebsforschung, ist der leitende Autor des Papiers, das heute in erscheint eLife. Kevin Ly und Alice Lam, beide Studenten des Bioingenieurwesens vom MIT, sind ebenfalls Autoren der Abhandlung.

Masse messen

Messung der Trockenmasse einer Zelle -; das Gewicht seines Inhalts ohne Wasser -; wird üblicherweise unter Verwendung einer Mikroskopietechnik durchgeführt, die als quantitative Phasenmikroskopie bezeichnet wird. Diese Technik kann das Zellwachstum messen, gibt jedoch keine Informationen über den molekularen Gehalt der Trockenmasse preis und ist bei Zellen, die in Suspension wachsen, schwierig anzuwenden.

Das Labor von Manalis hat zuvor eine Technik zur Messung der Auftriebsmasse von Zellen entwickelt, d. h. ihrer Masse, wenn sie in einer Flüssigkeit wie Wasser schwimmen. Diese Methode misst die schwimmende Masse, indem Zellen durch einen Kanal fließen, der in einen vibrierenden Cantilever eingebettet ist, was wiederholt durchgeführt werden kann, um Änderungen in der Masse einer bestimmten Zelle über viele Stunden oder Tage zu verfolgen.

Für ihre neue Studie wollten die Forscher die Technik so anpassen, dass sie zur Berechnung der Trockenmasse von Zellen sowie der Dichte der Trockenmasse verwendet werden kann. Vor etwa 10 Jahren hatten sie entdeckt, dass sie die Trockenmasse einer Zelle berechnen konnten, wenn sie die Zelle zuerst in normalem Wasser und dann in schwerem Wasser (das Deuterium anstelle von gewöhnlichem Wasserstoff enthält) maßen. Diese beiden Messungen können verwendet werden, um die Trockenmasse der Zelle zu berechnen.

Allerdings ist schweres Wasser für Zellen giftig, sodass sie nur eine einzige Messung pro Zelle erhalten konnten. Letztes Jahr machte sich Miettinen daran, zu sehen, ob er ein System entwickeln könnte, in dem Zellen wiederholt gemessen werden können, ohne dass sie schwerem Wasser ausgesetzt werden.

In dem von ihm entwickelten System werden Zellen sehr kurz schwerem Wasser ausgesetzt, während sie durch mikrofluidische Kanäle fließen. Es dauert nur eine Sekunde, bis eine Zelle ihren Wassergehalt vollständig ausgetauscht hat, daher konnten die Forscher die Masse der Zelle messen, wenn sie mit schwerem Wasser gefüllt war, sie mit der Masse in normalem Wasser vergleichen und dann die Trockenmasse berechnen.

„Unsere Idee war, dass wir, wenn wir die Belastung der Zellen durch schweres Wasser minimieren, das System so konstruieren könnten, dass wir diese Messung über längere Zeiträume wiederholen könnten, ohne die Zelle zu beschädigen“, sagt Miettinen. „Damit konnten wir erstmals nicht nur die Trockenmasse einer Zelle verfolgen, was andere mit mikroskopischen Methoden tun, sondern auch die Dichte der Trockenmasse, die uns Aufschluss über die biomolekulare Zusammensetzung der Zelle gibt.“

Die Forscher zeigten, dass ihre Trockenmassemessungen qualitativ mit früheren Arbeiten mit quantitativer Phasenmikroskopie übereinstimmten. Und zusätzlich zur Bereitstellung der Dichte der Trockenmasse ermöglicht die Methode des MIT-Teams eine höhere zeitliche Auflösung, die sich als nützlich für die Aufdeckung der Dynamik während der Mitose (Zellteilung) erwies.

Den Müll rausbringen

In Zellen, die sich einer Mitose unterziehen, verwendeten die Forscher ihre neue Technik, um zu untersuchen, was während dieses Prozesses mit der Zellmasse und -zusammensetzung passiert. In einer Arbeit aus dem Jahr 2019 fanden Miettinen und Manalis heraus, dass die schwimmende Masse mit Beginn der Mitose leicht zunimmt. Andere Studien, die quantitative Phasenmikroskopie verwendeten, deuteten jedoch darauf hin, dass Zellen zu Beginn der Zellteilung Trockenmasse behalten oder verlieren könnten.

In der neuen Studie hat das MIT-Team drei Arten von Krebszellen gemessen, die leichter zu untersuchen sind, weil sie sich häufiger teilen als gesunde Zellen. Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Trockenmasse der Zellen tatsächlich abnimmt, wenn sie in den Zellteilungszyklus eintreten. Diese Masse wird später wiedergewonnen, bevor die Teilung vollständig ist.

Weitere Experimente zeigten, dass Zellen, wenn sie in die Mitose eintreten, die Aktivität eines Prozesses namens lysosomale Exozytose steigern. Lysosomen sind Zellorganellen, die zelluläre Abfallprodukte abbauen oder recyceln, und Exozytose ist der Prozess, mit dem sie alle Moleküle abwerfen, die nicht mehr benötigt werden.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Dichte der Trockenmasse zunimmt, wenn die Zellen Trockenmasse verlieren, was sie zu der Annahme veranlasst, dass die Zellen Moleküle mit geringer Dichte wie Lipide oder Lipoproteine ​​verlieren. Sie vermuten, dass Zellen diesen Prozess nutzen, um giftige Moleküle vor der Teilung zu entfernen. “Was wir sehen, ist, dass Zellen möglicherweise versuchen, beschädigte Komponenten auszuwerfen, bevor sie sich teilen”, sagt Miettinen.

Die Forscher spekulieren, dass ihre Ergebnisse erklären könnten, warum Neuronen, die sich nicht teilen, eher toxische Proteine ​​wie Tau oder Amyloid Beta ansammeln, die mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehen.

Die Ergebnisse könnten auch für Krebs relevant sein: Krebszellen können einige Chemotherapeutika durch Exozytose ausstoßen und so dazu beitragen, dass sie gegen die Medikamente resistent werden. Theoretisch könnte die Verhinderung des Auftretens einer Exozytose vor der Zellteilung dazu beitragen, Krebszellen anfälliger für solche Medikamente zu machen.

„Es gibt Krankheiten, bei denen wir vielleicht die Exozytose hochregulieren möchten, zum Beispiel bei neurodegenerativen Erkrankungen, aber dann gibt es Krankheiten wie Krebs, bei denen wir sie vielleicht herunterregeln wollen“, sagt Miettinen. „Wenn wir in Zukunft den molekularen Mechanismus dahinter besser verstehen und einen Weg finden könnten, ihn außerhalb der Mitose auszulösen oder während der Mitose zu verhindern, könnten wir wirklich einen neuen Schalter zur Behandlung von Krankheiten haben.“

Die Forschung wurde vom MIT Center for Cancer Precision Medicine, dem Virginia and DK Ludwig Fund for Cancer Research, dem Cancer Systems Biology Consortium und dem Koch Institute Support (core) Grant des National Cancer Institute finanziert.

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Miettinen, TP, et al. (2022)Einzelzellüberwachung der Trockenmasse und Trockenmassedichte zeigt Exozytose von zellulären Trockeninhalten in der Mitose. eLife. doi.org/10.7554/eLife.76664.

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