Cortical actomyosin network organization in epithelial cells

Epithelzellen, die Modell-Zelllinien dieser Dissertation, sind für
die Aufteilung und Abtrennung verschiedener Kompartimente eines
Organismus zuständig, indem sie sich zu Grenzflächen
zusammenschliessen, welche häufig hohen physikalischen Spannungen
und Kräften ausgesetzt sind. Um diese physikalischen Kräfte zu
verarbeiten oder sie selbst zu produzieren, verwenden
Epithelzellen, wie alle anderen Zelltypen auch, das Zytoskelett,
das sich im Allgemeinen aus den Komponenten Mikrotubuli,
Intermediär-Filamenten und Aktin sowie den damit korrespondierenden
Motorproteinen Dynein, Kinesin sowie Myosin zusammensetzt. In
dieser Dissertation wird das Zusammenspiel von Aktin und Myosin auf
der apikalen Seite von Epithelzellen untersucht. Im Falle von
konfluenten Zellen mit vollständig ausgebildeten
Zell-Zell-Kontakten sind auf der apikalen Seite der Zellen
Mikrovilli zu finden, kleine, mit Aktin-Bündeln gefüllte
Ausstülpungen aus der Zelloberfläche, welche für die optimierte
Nahrungsaufnahme sowie als Antennen für Signalverarbeitung
zuständig sind. Im Zuge der Arbeit konnten wir feststellen, dass
sich der Aktin-Myosin-Aufbau auf der apikalen Seite von
Einzelzellen ohne Zell-Zell-Kontakte, sogenannten nicht-konfluenten
Zellen, grundsätzlich ändert. Mittels Fluoreszenz-Mikroskopie und
anderen experimentellen Methoden zeigen wir, dass zwar ähnliche
Ausstülpungen auf der apikalen Oberfläche von Einzelzellen zu
finden, diese jedoch häufig verlängert, gebogen, hoch-dynamisch und
oft parallel zur Zellmembran orientiert sind. Wir zeigen mittels
molekularbiologischer Methoden, dass ein zusätzliches, innerhalb
der apikalen Zellmembran liegendes isotropes Akto-Myosin-Netzwerk
für die dynamische Reorganisation der Mikrovilli-Ausstülpungen
verantwortlich ist. Der Identifzierung des isotropen
Akto-Myosin-Netzwerkes, welches eine der Hauptaussagen dieser
Dissertation ist, wird eine detaillierte Analyse der dynamischen
Netzwerkreorganisation angefügt, die mittels temporaler und
örtlicher Bild-Korrelationsanalysen charakteristische Zeiten und
Längen der Dynamik definiert. Des Weiteren entwickeln wir mehrere
Bild- Analyseverfahren, allen voran die Methode der iterativen
temporalen Bildkorellation sowie des optischen Flusses, wodurch wir
eine Oszillation der Netzwerk-Reorganisationsgeschwindigkeit
identifizieren und parametrisieren können. Verschiedene, auf
Fluoreszenzmikroskopie und automatisierter optischer
Fluss-Bildanalyse basierende Experimente geben Hinweise auf zwei
mögliche Erklärungen für die identifizierten Oszillationen. Sowohl
Myosin aktivitätsregulierende Proteine als auch spontan auftretende
Spannungsfluktuationen im unter Zugspannung liegenden Netzwerk
können mögliche Ursachen für die identifizierten
Netzwerkoszillationen sein. Obwohl eine eindeutige zelluläre
Funktion des apikalen Akto-Myosin-Netzwerkes im Rahmen dieser
Doktorarbeit noch nicht identifiziert werden konnte, so können wir
aufgrund von verschiedenen Resultaten dennoch postulieren, dass das
hier identifizierte Netzwerk eine entscheidende Rolle bei der
Zellmigration und Signaltransduktion einnimmt. Unabhängig davon
repräsentiert das hier gefundene Netzwerk die faszinierende
Möglichkeit, ein aktives, zweidimensionales Akto-Myosin-Netzwerk
nicht nur in vitro, sondern in seiner natürlichen Umgebung
studieren und biophysikalische Eigenschaften analysieren zu können.