Bildgebendes System zur ultraschnellen, gleichzeitigen Messung von Epifluoreszenz- und konfokalen Bildern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das bewilligte Mikroskopsystem zur ultraschnellen Bildgebung hatte im Berichtzeitraum (2015-2017) essenziellen Beitrag zu zwei wichtigen wissenschaftlichen Forschungsergebnissen. Im Herzen findet die Umwandlung von elektrischen Signalen – die man als EKG messen kann – in die mechanische Aktivität der Pumpe – die als Herzschlag zu spüren ist – in jeder einzelnen Herzmuskelzelle an Tausenden von nanoskopischen Kopplungsstellen – die man als „couplons“ bezeichnet – statt. Man nennt diesen zentralen Vorgang im Herzen elektro-mechanische Kopplung oder kurz EMK. Die detaillierte Kenntnis über die EMK ist nicht nur zentral für unser Verständnis des normalen Verhaltens im gesunden Herzen sondern ebenfalls wichtig für das Verständnis von krankhaften Vorgängen wie sie z.B. bei der chronischen Herzmuskelschwäche oder terminalem Herzversagen vorkommen. Hierbei sind die elementaren Vorgänge während der EMK ineffizient und gestört. Wir konnten in einer kürzlich veröffentlichten Publikation in Elife erstmalig in lebenden Herzmuskelzellen ohne pharmakologische Beeinflussung eine vollständige 3-dimensonale „Landkarte“ aller aktiven „couplon“ Stellen mithilfe unseres ultraschnellen Konfokalmikroskopsystems erstellen. Basierend auf dieser Landkarte in gesunden Hermuskelzellen versprechen wir uns zukünftig durch entsprechende „Kartierung“ von Zellen aus erkrankten Herzen detailliertere Erkenntnisse über die Mechanismen von Herzerkrankungen und zukünftige neue Therapiestrategien, die krankhaften Prozesse in den Zellen wieder zu normalisieren. Kalzium ist ein zentrale Botenstoff in praktisch allen lebenden Zellen, der eingehende, äußere Signale (chemisch und physikalisch) in intrazellulär „verständliche“ Signale (räumlich/zeitliche Veränderungen der Kalziumionenkonzentration) umwandelt, ein Prozess, der als Signaltransduktion bezeichnet wird. Für die Zellen ist es daher zentral, diese Veränderungen der Kalziumkonzentration zu registrieren und sinnvoll zu interpretieren. Zentrale Werkzeuge hierbei sind entsprechende Kalzium-empfindliche Proteine, wie z.B. die Familie der Proteinkinasen C (PKC). Eine Unterfamilie der PKCs, die praktisch in allen lebenden Zellen vorkommenden konventionellen oder cPKCs, spielt hierbei eine bedeutende Rolle. Sie reagieren auf Erhöhungen der Ionenkonzentration von Kalzium, wandern oder translozieren zur Zellmembran und schalten dort Zielproteine, wie z.B. Ionenkanäle oder Transporter, gezielt ein oder aus. Dieser PKC Unrerfamilie kommt daher bei der Kalzium-abhängigen Signaltransduktion eine zentrale Rolle in praktisch allen lebenden Zellen zu. Wir konnten in zwei kürzlich veröffentlichten Arbeiten in Scientific Reports durch eine Kombination von photochemischen und optischen Techniken unter Zuhilfenahme unseres ultraschnellen Konfokalmikroskopsystems elementare Vorgänge bei der Signalverarbeitung durch cPKCs aufklären. So gelang uns erstmalig die Identifikation von sehr kurzfristig auftretenden (Millisekunden Massstab) molekularen Nanoclustern von cPKC Molekülen während der zellulären Signaltransduktion. Diese Clusterbildung ist essenziell für eine effiziente cPKC-abhängige Signalverarbeitung, da es die Lebensdauer des cPKC-Zellmembrankontakts substanziell verlängert. Diese Verlängerung der Verweildauer erst ermöglicht es den cPKC Molekülen ein effizientes Finden von Zielproteinen zum Ein- oder Ausschalten und somit effiziente Signaltransduktion sicher zu stellen. Das bessere Verständnis solch elementarer Vorgänge wird unser Verständnis von physiologischer aber auch pathologischer Signaltransduktion in lebenden Zellen entscheidend beeinflussen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- . C2-domain mediated nano-cluster formation increases calcium signaling efficiency. Scientific Reports
Bonny, Hui, Schweizer, Kaestner, Zeug, Kruse & Lipp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep36028) - An adaptation of astronomical image processing enables characterization and functional 3D mapping of individual sites of excitation-contraction coupling in rat cardiac muscle. Elife
Tian, Kaestner, Schröder, Guo & Lipp
(Siehe online unter https://doi.org/10.7554/eLife.30425.001) - PKCα diffusion and translocation are independent of an intact cytoskeleton. Scientific Reports
Hui, Sauer, Kaestner, Kruse & Lipp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-00560-7) - Hyperaldosteronism induces left atrial systolic and diastolic dysfunction. Am J Physiol- Heart C
Reil, Tauchnitz, Tian, Hohl, Linz, Oberhofer, Kaestner, Reil, Thiele, Steendijk, Böhm, Neuberger & Lipp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1152/ajpheart.00261.2016)
