How cells measure symmetry: nuclear positioning in plants
Final Report Abstract
Pflanzenzellen zeichnen sich durch eine klare Richtung (sogenannte Polarität) aus, wodurch die Selbstorganisation pflanzlicher Zellen in einen Organismus gelenkt und synchronisiert wird. Um die zugrundeliegenden zellulären Mechanismen besser verstehen zu können, haben wir ein System etabliert, bei dem Tabakzellen ihrer Richtung beraubt werden, indem man die Zellwand abverdaut und ihnen danach erlaubt, Polarität und Achse neu auszubilden. In diesem Projekt standen die über das Cytoskelett vermittelte mechanische Verbindung zwischen Zellkern und Zellmembran im Mittelpunkt. Wir konzentrierten uns auf pflanzenspezifische Kinesinmotoren. Diese sogenannten KCH-Proteine verknüpfen die relativ starren Mikrotubuli (die daher Druckkräfte übermitteln können) mit den flexiblen Actinfilamenten (die Zugkräfte übertragen können) und erzeugen dadurch ein tensegriales System, das mechanische Kräfte über die gesamte Zelle hinweg sammeln und transportieren kann. Um die Beziehung dieser Tensegrität mit der zellulären Richtung verstehen zu können, setzten wir chemische und genetische Mittel ein, um die Tensegrität zu erhöhen oder zu vermindern. Wir konnten zeigen, dass eine Verstärkung der mechanischen Kopplung zwischen Kern und Zellmembran den Aufbau einer zellulären Richtung beschleunigt. Wir stellten überrascht fest, dass die Kernwanderung selbst von der Polarität abgekoppelt werden kann. Beide sind Folgen einer Ursachen, nicht gegenseitige Ursachen. Durch super-resolution Mikroskopie konnten wir sehen, dass die KCH-Motoren langsam auf den Kern zuwandern, in der anderen Richtung aber viel flotter unterwegs sind, wovon wir einen Mechanismus für die Steuerung der Kernwanderung ableiten können. Ebenfalls war es überraschend, dass die Chromatinstruktur innerhalb des Zellkerns einen starken Einfluss auf die Vorgänge an der Zellmembran hatte, was zum Konzept eines zweiseitigen Signalwegs führte. Um die Rolle externer Reize für die zelluläre Richtung angehen zu können, benutzten wir eine Strategie, wobei ausgerichtete Nanofasern mit RGD-Peptiden funktionalisiert wurden, die an die (unbekannten) Integrin-Analoge pflanzlicher Zellen binden. Wir konnten auf diese Weise die Zellachse ausrichten. Unsere Arbeit zeigt, dass mechanische Integration durch das Cytoskelett für die Induktion und Erhaltung der Zellpolarität wichtig ist. Künftig werden wir uns daher anschauen, wie dieses Phänomen die Evolution der höheren Pflanzen beeinflusst hat, da ja beim Übergang vom Wasser zum Land mechanische Kräfte durch die Schwerkraft zu einem wichtigen Umweltfaktor werden.
Publications
- (2016) Break of symmetry in regenerating tobacco protoplasts is independent of nuclear positioning. J Int Plant Biol 58, 799-812
Brochhausen L, Maisch J, Nick P
(See online at https://doi.org/10.1111/jipb.12469) - (2016) The cytoskeleton as target - electromanipulation of sensing at the plant cell membrane. In: Bioelectrics (Akiyama H, Heller R, eds), Springer Heidelberg New York Tokyo
Frey W, Nick P
- (2017) Dual-located Kinesin - A class XIV kinesin that can enter the nucleus. Ph.D. dissertation, Karlsruhe Institute of Technology
Xu X
- (2017) The ECHO of Cell Polarity. Revealing intra- and extracellular factors involved in polarity and axis formation de novo in tobacco cells. Ph.D. dissertation, Karlsruhe Institute of Technology
Brochhausen L
- (2018) A rice class-XIV kinesin enters the nucleus in response to cold. Nature Scientific Reports 8, 3588
Xu X, Walter W, Liu Q, Machens I, Nick P
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-018-21816-w)
