05.02.2021 Filopodia-Based Contact Stimulated Collective Migration

A newly discovered mechanism of cellular communication explains the collective migration of cells.

Die Vorläufer von Muskelfasern bilden Zellfäden (grün), um sich im Verband fortzubewegen; die Fasern des Zellskeletts sind violett angefärbt.

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Festhalten, es geht los: Die Vorläufer von Muskelfasern wandern im Verbund, indem sie Kontaktstrukturen bilden, mit denen sie aneinander sowie am Untergrund haften. Wie die unterschiedlichen Zellkontakte entstehen und zur gemeinsamen Bewegung des Zellverbands beitragen, berichtet ein Marburger Forschungsteam aus Medizin, Biologie und Informatik im Fachblatt „Nature Communications“. Die Gruppe beschreibt erstmals im Detail, welcher molekulare Mechanismus dieser Art von Zellbewegung zugrunde liegt.

„Zellen wandern während der Entstehung des Körpers gemeinsam und gleichgerichtet, um Gewebe und Organe zu bilden“, erläutert der Marburger Physiologe Professor Dr. Sven Bogdan, der die Forschungsarbeit leitete. Die bisher bekannten Mechanismen erklären vor allem, wie Zellverbünde im Kollektiv wandern. Worauf beruht aber die Bewegung von Zellen, die zu Geweben verbunden sind?

Das Team untersuchte die Wanderungsbewegung von Myotuben, darunter versteht man vielkernige Vorläufer von Muskelfasern, die aus mehreren Zellen verschmolzen sind. „Wir haben die Wanderung von Myotuben als Modell für gemeinschaftliche Zellbewegungen etabliert“, sagt Bogdan. „Unser Modellsystem erlaubt es, Zellwanderungen in Organkulturen zu studieren und genetisch zu verändern, wobei wir lebende Zellen unter dem Mikroskop bei hoher Auflösung verfolgen können.“

Um sich fortzubewegen, bilden Myotuben fadenförmige Zellfortsätze, sogenannte Filopodia, anstelle der blattförmigen Ausbuchtungen anderer Zelltypen. Auch die genetische Steuerung ihrer Entstehung unterscheidet sich bei den verschiedenen Zellfortsätzen.

Die Filopodien erstrecken sich zwar in alle Richtungen; ihre Anheftung am Untergrund, der sogenannten Matrix, ist jedoch stabiler als die zwischen den Zellen. „Kontakte zwischen den Zellen halten Positionsinformationen bereit, die den einzelnen Zellen im Gewebeverband die Richtung vorgeben“, erklärt Bogdans Mitarbeiter Dr. Maik Bischoff, der als Erstautor des Fachartikels firmiert. „Wenn die Zellen den Kontakt zueinander verlieren, stellen sie ihre Wanderungsbewegung ein.“

 
„Die Zellen verhalten sich wie ein Schwarm, der kein Voranlaufen von Führungszellen erfordert, die Verfolgerzellen mitziehen“, fasst Bogdan zusammen. „Dass die Wanderung der Zellen von deren gegenseitigem Kontakt abhängt, dient der Synchronisation der Bewegung, wenn Organe entstehen“, führt er weiter aus. „Gleichzeitig schützt der Mechanismus den Organismus vor einem unkontrollierten Auswandern individueller Zellen, wie wir es bei invasiven Tumoren beobachten.“

Professor Dr. Sven Bogdan lehrt Physiologie und Pathophysiologie am Fachbereich Medizin der Philipps-Universität. Neben seiner Abteilung beteiligten sich die Biologieprofessorin Dr. Renate Renkawitz-Pohl sowie der Informatiker Sebastian Lieb an der Forschungsarbeit, die beide ebenfalls der Philipps-Universität angehören. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die wissenschaftliche Arbeit durch ihr Marburger Graduiertenkolleg 2213.

Originalveröffentlichung: Maik C. Bischoff & al.: Filopodia-based contact stimulation of cell migration drives tissue morphogenesis, Nature Communications 2021, DOI: 10.1038/s41467-020-20362-2