Zellkommunikation: Zelluläre Rohrpost
Ohne Verständigung läuft nichts: Ständig tauschen die Körperzellen allerlei Informationen aus und nutzen dabei verschiedenen Kommunikationsysteme. Die angrenzende Nachbarzelle wird über Gap Junctions kontaktiert, Nervenzellen leiten elektrische Signale über Synapsen weiter, und Immunzellen senden chemische Signale zu Ihresgleichen. Offenbar gibt es einen weiteren Kommunikationsweg: eine Rohrpost.
© Simon Watkins and Russell Salter, University of Pittsburgh School of Medicine (Ausschnitt)
Immunzellen sind Klatschbasen. Brühwarm erzählen sie ihren Kolleginnen von jedem Kontakt, den sie mit Fremdkörpern haben und bitten um Mithilfe bei dessen Bekämpfung. Dazu nutzen sie den chemischen Postweg: Sie geben chemische Substanzen ab, die Zytokine, die mit dem Blutstrom zu den Adressaten reisen. Landet der Brief dort im Briefkasten – dem entsprechenden Oberflächenrezeptor – packt die Empfängerin ihre Post sofort aus, liest die Nachricht und ergreift die notwendigen Maßnahmen, um der Absenderin zu Hilfe zu eilen.
Doch Immunzellen begnügen sich offensichtlich nicht allein mit der chemischen Post, sondern kommunizieren außerdem über ein Rohrpostsystem miteinander. Simon Watkins und Russel Salter von der Universität Pittsburgh entdeckten diesen bisher unbekannten Verständigungsweg – wie so oft in der Wissenschaft – per Zufall.
Die Wissenschaftler belauschten dendritische Zellen beim nachbarschaftlichen Plausch. Dieser bäumchenartig verzweigte Zelltyp beeinflusst über Zytokine die zelluläre Immunantwort und vertilgt in den Körper eingedrungene Bakterien. Dazu strecken sie kleine Ausstülpungen vor, so genannte Lamellipoden, mit denen sie ihre Opfer greifen und zum Zellkörper transportieren. Dort werden sie dann aufgenommen und anschließend verdaut. Das Erstaunliche daran: Die dendritischen Zellen recken ihre Arme schon nach den Eindringlingen, lange bevor sie direkten Kontakt mit ihnen hatten – irgendwoher müssen sie die Information bekommen haben, dass Arbeit auf sie wartet.
Nun wollten Watkins und Salter herausfinden, wie die Fresszellen bemerken, dass Futter für sie bereit liegt. Dazu nahmen sie dendritische Zellen in Zellkultur und fütterten sie mit Produkten des Bakteriums Escherichia coli und beobachteten, ob die Fresszellen darauf reagierten. Als Aktivierungsmarker bestimmten sie die Kalzium-Konzentration, die sehr schnell ansteigt, sobald sich eine Zelle regt.
Interessanterweise stieg der Kalzium-Spiegel auch an, als versehentlich eine Zelle einen Stups mit der Pipettenspitze bekam, aber kein Stimulans freigesetzt wurde – und wieder nahm eine Zelle hier, eine dort die Arbeit auf. Das merkwürdige Verteilungsmuster der aktiven Zellen ließ sich also ganz eindeutig nicht darauf zurückführen, dass sich die stimulierende Lösung langsam diffundierend ausbreitete und die Zellen nacheinander erreichte.
Watkins und Salter vermuteten daher, dass die Zellen über irgendwelche Fortsätze miteinander in Verbindung standen und darüber Informationen austauschten. Gap Junctions, die in vielen Zelltypen einen Kalzium-Flux übertragen, kamen dafür nicht in Frage. Denn eine Substanz, die diese Zellverbindungen blockiert, beeinträchtigte die Informationsübermittlung der dendritischen Zellen nicht.
Dendritische Zellen stehen demnach über feine röhrchenartige Strukturen miteinander in Verbindung, über die sie wie über eine Rohrpostanlage angegliederten Zellen Informationen über längere Distanzen hinweg übermitteln können. Der zelluläre Kaffeeklatsch läuft also komplexer ab als bisher angenommen.
Doch Immunzellen begnügen sich offensichtlich nicht allein mit der chemischen Post, sondern kommunizieren außerdem über ein Rohrpostsystem miteinander. Simon Watkins und Russel Salter von der Universität Pittsburgh entdeckten diesen bisher unbekannten Verständigungsweg – wie so oft in der Wissenschaft – per Zufall.
Die Wissenschaftler belauschten dendritische Zellen beim nachbarschaftlichen Plausch. Dieser bäumchenartig verzweigte Zelltyp beeinflusst über Zytokine die zelluläre Immunantwort und vertilgt in den Körper eingedrungene Bakterien. Dazu strecken sie kleine Ausstülpungen vor, so genannte Lamellipoden, mit denen sie ihre Opfer greifen und zum Zellkörper transportieren. Dort werden sie dann aufgenommen und anschließend verdaut. Das Erstaunliche daran: Die dendritischen Zellen recken ihre Arme schon nach den Eindringlingen, lange bevor sie direkten Kontakt mit ihnen hatten – irgendwoher müssen sie die Information bekommen haben, dass Arbeit auf sie wartet.
Nun wollten Watkins und Salter herausfinden, wie die Fresszellen bemerken, dass Futter für sie bereit liegt. Dazu nahmen sie dendritische Zellen in Zellkultur und fütterten sie mit Produkten des Bakteriums Escherichia coli und beobachteten, ob die Fresszellen darauf reagierten. Als Aktivierungsmarker bestimmten sie die Kalzium-Konzentration, die sehr schnell ansteigt, sobald sich eine Zelle regt.
"Auf dem Bildschirm sah es aus, als ob in einem dunklen Konzertsaal Blitzlichter aufleuchteten"
(Russel Salter)
Was die Wissenschaftler sahen, überraschte sie: Ein bis zwei Minuten bevor die dendritischen Zellen ihre Arme zum Beutefang ausstreckten, nahmen sie reichlich Kalzium auf – allerdings nicht einheitlich: Manche von ihnen zeigten sich besonders rege, andere wiederum reagierten überhaupt nicht. Dabei waren die arbeitenden Zellen kreuz und quer verteilt. Teilweise lagen sie weit (bis zu 100 Mikrometer) von der Stelle entfernt, an der die Stimulationslösung injiziert wurde, nahebei liegende Zellen hingegen zeigten keinerlei Reaktion.
(Russel Salter)
Interessanterweise stieg der Kalzium-Spiegel auch an, als versehentlich eine Zelle einen Stups mit der Pipettenspitze bekam, aber kein Stimulans freigesetzt wurde – und wieder nahm eine Zelle hier, eine dort die Arbeit auf. Das merkwürdige Verteilungsmuster der aktiven Zellen ließ sich also ganz eindeutig nicht darauf zurückführen, dass sich die stimulierende Lösung langsam diffundierend ausbreitete und die Zellen nacheinander erreichte.
Watkins und Salter vermuteten daher, dass die Zellen über irgendwelche Fortsätze miteinander in Verbindung standen und darüber Informationen austauschten. Gap Junctions, die in vielen Zelltypen einen Kalzium-Flux übertragen, kamen dafür nicht in Frage. Denn eine Substanz, die diese Zellverbindungen blockiert, beeinträchtigte die Informationsübermittlung der dendritischen Zellen nicht.
"Diese Nanotubuli ermöglichen die Kommunikation zwischen weit voneinander entfernten Zellen. Wäre die Zellkulturschale eine Stadt, dann entspräche die Entfernung etwa vier bis fünf Häuserblocks"
(Russel Salter)
Nun legten die Immunbiologen die Zellen unter ein hochauflösendes Mikroskop und entdeckten feine Röhrchen, welche die Zellen miteinander verbanden – bis zu 75 dieser Nanotubuli reichten von einer Zelle zu anderen. Als die Forscher eine Zelle unter dem Mikroskop mit einer Mikroinjektionsnadel anstupsten, produzierte diese umgehend Kalzium, und nach wenigen Sekunden konnten die Wissenschaftler beobachten, wie Kalzium von der aktivierten Zelle durch eines der feinen Röhrchen zu einer darüber mit ihr verbundenen Zelle hinüber floss. Ein bis zwei Minuten später bildete die über den Nanotubulus stimulierte Zelle ihre Fangarme aus.
(Russel Salter)
Dendritische Zellen stehen demnach über feine röhrchenartige Strukturen miteinander in Verbindung, über die sie wie über eine Rohrpostanlage angegliederten Zellen Informationen über längere Distanzen hinweg übermitteln können. Der zelluläre Kaffeeklatsch läuft also komplexer ab als bisher angenommen.
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