Struktur und Mechanik gedehnter, Membran-gebundener F-Aktin/Intermediärfilament-Schichten

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Sarah Köster; Professorin Dr. Claudia Steinem
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430255655

Intermediärfilamente (IFs) bilden, neben Aktinfilamenten und Mikrotubuli, eines der drei zytoskelettalen Filamentsysteme in Eukaryonten. Vermutlich spielen sie eine zentrale Rolle in der Zellmechanik. Die mechanischen Eigenschaften von IFs sind komplementär zu denen der Aktinfilamente, was sich in einer hohen Flexibilität und enormen Dehnbarkeit bis zur 4,5-fachen Länge zeigt. Vor kurzem wurde gezeigt, dass es neben den bekannten IF-Strukturen, die das Zytoplasma durchspannen, eine zweite Struktur in Epithelzellen gibt, welche als eine Art "Kortex" parallel zur Plasmamembran verläuft und die Desmosomen verbindet. In Epithelzellen, welche die Darmwand auskleiden, ist diese IF Schicht direkt unter dem Aktin-reichen sogenannten "terminal web" positioniert. Es wird vermutet, dass diese periphere IF-Struktur die Plasmamembran mechanisch unterstützt und möglicherweise eine tragende Rolle in allen Zellen spielt, die Desmosomen oder Hemidesosomen besitzen und eine mechanische Verstärkung der Plasmamembran benötigen. Bislang liegt nur wenig Information über die genaue Organisation von IFs nahe der Plasmamembran sowie ihrem Einfluss dieser Proteinstrukturen auf die mechanischen Eigenschaften der Zelle vor. Wir schlagen vor, in vitro Experimente mit artifiziellen Lipidmembranen, entweder Festkörper-unterstützt oder Poren-überspannend, und aufgereinigten Proteinen mit Untersuchungen an Zell-Membran-Fragmenten und lebenden Zellen zu kombinieren. Für die in vitro Experimente werden wir geschichtete Systeme aus Lipidmembranen und Fluoreszenz-markierten Aktin- und IF-Netzwerken etablieren, wie Vimentin und Keratin 8/18. Wir werden Linker-Moleküle hinzufügen und die Architektur der Netzwerke mittels Fluoreszenzmikroskopie untersuchen. Unser Fokus wird auf der Frage liegen, wie die IF-Strukturen durch die Kopplung an das Aktin-Netzwerk beeinflusst wird und umgekehrt. Weiterhin werden wir die mechanischen Eigenschaften des Netzwerks mit Hilfe von Mikrorheologie und Rasterkraftmikroskopie untersuchen. Vor allem werden wir mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie untersuchen, wie Zugdehnung die Organisation der Membran-gebundenen Aktin und IF-Strukturen beeinflusst und wie die mechanischen Eigenschaften sich ändern. Wir werden die Ergebnisse mit solchen aus Experimenten an Zell-Membran-Fragmenten, das heißt ohne Zellkern und Zytoplasma, sowie lebenden Zellen, vergleichen. Insbesondere werden wir Zelllinien mit fluoreszenten IFs und Aktin-Filamenten in gedehntem Zustand untersuchen und dabei ein besonderes Augenmerk auf die mechanischen Eigenschaften im gedehnten Zustand legen. Unsere Experimente werden helfen, die Frage zu beantworten, ob das bemerkenswerte Spannungs-Dehnungsverhalten einzelner IFs in Filament-Netzwerken und lebenden Zellen eine Rolle spielt und werden unser Verständnis der Rolle von IFs für die Zellmechanik verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen