Emergente Eigenschaften zellulärer Organellen

Hat ein Elefant mehr oder größere Zellen als ein Frosch? Dieser auf den ersten Blick banalen Frage liegt ein komplexes zellbiologisches Problem zugrunde: Woher weiß eine Zelle wie groß sie ist, wie groß sie werden darf? Organisiert sich eine Zelle abhängig von ihrer Größe? Mit anderen Worten, kann eine Zelle die Größe und Anzahl ihrer Organellen messen und bei Bedarf regulieren und was geschieht, wenn diese zellulären Skalierungsgesetze aus dem Ruder laufen?

Ein ausgezeichnetes Modelsystem um sich mit diesen Fragen zu befassen sind die Eier des afrikanischen Krallenfrosches Xenopus laevis. Reife Eier sind mit einem Durchmesser von 1200 μm sehr groß. Nach der Befruchtung teilen sie sich schnell und synchron. So entsteht aus einer großen Zelle innerhalb weniger Stunden eine Vielzahl sehr kleiner Zellen mit einen Durchmesser von nur 12 μm. Die entscheidende Funktion bei diesen schnellen Teilungen kommt der mitotischen Spindel zu. Ihre Aufgabe besteht darin, die Erbinformation während der Teilung gleichmäßig auf die Tochterzellen zu verteilen. Dazu benötigt die Spindel Informationen zur Zellgröße und muss sich dieser, vor allem während der schnellen embryonalen Zellteilungen anpassen können. Aber welche molekularen Mechanismen bestimmen die Geometrie der mitotischen Spindel? Und wie kann sich die Länge der Spindel der Zellgröße anpassen?

Ein weiteres Modelsystem sind embryonale Stammzellen der Maus. Diese haben für unsere Forschungsvorhaben einen entscheidenden Vorteil, sie lassen sich unter geeigneten Bedingungen in zahlreiche Zelltypen unterschiedlicher Größe und Morphologie ausdifferenzieren. Embryonale Stammzellen stellen somit ein induzierbares in vivo System dar, in dem sich die Größe von zellulären Organellen direkt mit der Zellmorphologie und -funktion korrelieren lässt. Grundlegende Erkenntnisse zur Biologie von embryonalen Stammzellen, welche die Aussicht auf alternative Therapiemethoden bieten, sind in der Lage Antworten auf gesundheitspolitisch wichtige Fragen zu geben.

Welche Rolle spielt die Länge und Form der Spindel bei pathologischen Vorgängen?

Zu kurze oder defekte Spindeln führen zu Fehlern bei der Chromosomenverteilung. Zu den fatalen Folgen fehlerhafter Chromosomenverteilung gehören maligne Entartungen oder während der Keimzellbildung Chromosomanomalien, wie z.B. Trisomien. Um zu verstehen wie solche Fehler entstehen und um diese zukünftig vermeiden zu können, benötigen wir ein Verständnis grundlegender Mechanismen der Spindelassemblierung und -skalierung.

Die Forschung in unserem Labor ist interdisziplinär und systembiologisch ausgerichtet. Durch die Kombination experimenteller Methoden und theoretischer Modelle untersuchen wir die grundlegenden zellulären Skalierungsprozesse. Ein langfristiges Ziel unserer Forschung ist es die in vitro und in silico gewonnenen Modelle und Mechanismen in vivo zu verifizieren.