Mechanosensorische Prozesse zur Erkennung und Prozessierung zyklischer Dehnung während der epithelialen Differenzierung

Abstract

Die äußerste Schicht der Haut, die Epidermis, steht im direkten Kontakt zur Umgebung und ist in der Lage auf einwirkende Reize zu reagieren. Die Aufrechterhaltung dieser Funktion beruht auf der streng regulierten Differenzierung epidermaler Zellen, welche von der Ausbildung von Zell-Matrix- hin zu spezifischen Zell-Zell-Adhäsionen begleitet ist. Störungen dieser Adhäsionen setzen die mechanische Stabilität des Gewebes drastisch herab, daher ist es essentiell, den Mechanismus der Bildungsabfolge unterschiedlicher Adhäsionsstrukturen und deren Zusammenhang mit mechanischen Reizen detailliert zu verstehen. Aus diesem Grund beschäftigte sich die vorliegende Arbeit mit der Reaktion differenzierender Zellschichten auf zyklische uniaxiale Dehnung. Dazu wurde in epidermalen Keratinozyten die Ausbildung von Zell-Zell-Adhäsionen induziert und eine zyklische uniaxiale Dehnung angelegt. <br /> Die Ausbildung interzellulärer Adhäsionen führte zu einer signifikanten Verstärkung der Reorientierung des Aktinzytoskeletts senkrecht zur angelegten Zugrichtung. Der Vergleich von Einzelzellen und konfluenten Zellschichten, welche in An- und Abwesenheit von Kalzium gedehnt wurden, konnte zeigen, dass dieses Verhalten auf die Ausbildung kalziumabhängiger Adherens Junctions zurückzuführen ist. Als zentraler Bestandteil dieses Adherens Junctions-vermittelten Signalweges konnte α-Catenin identifiziert werden, dessen Abwesenheit zu einer verminderten Reorientierung auch in differenzierenden Zellschichten führte.<br /> Experimente an Zellen mit beeinträchtigten Fokaladhäsionen konnten zeigen, dass der identifizierte Adherens-Junctions-vermittelte Mechanismus hauptverantwortlich für die Zellreaktion auf zyklische Dehnung während der Differenzierung ist. Während diese Beeinträchtigung in nicht differenzierenden Zellen zu einer signifikanten Reduktion der Reorientierung führte, erfolgte diese nach Ausbildung von Adherens Junctions genauso effizient wie in Kontrollzellen. Diese Daten konnten erstmals zeigen, dass der mechanosensitive Mechanismus während der Differenzierung epidermaler Zellen von den Zell-Matrix-Kontakten auf Aktin-gekoppelte Adherens Junctions übertragen wird. <br /> Durch Veränderung der Dehnungsfrequenz und –dauer konnte gezeigt werden, dass eine schnellere Dehnung in nicht differenzierenden Zellen zu einer beschleunigten Reorientierung führte, die dabei in Abhängigkeit der Dehnungsdauer stand. Im Gegensatz dazu war die Abhängigkeit der Reorientierung von beiden Parametern in differenzierenden Zellschichten deutlich geringer und führte unabhängig von der Dehnungsfrequenz zu einer deutlich verstärkten Reorientierung hin zu 90°. Damit führt die Übertragung des mechanosensitiven Mechanismus auf Adherens Junctions nicht nur zu einer beschleunigten sondern auch zu einer stärkeren Reorientierung des Aktinzytoskeletts. <br /> Durch Erhöhung des Querkontraktionsverhältnisses des verwendeten Substrats konnte anschließend der angle of zero strain hin zu geringeren Winkeln verschoben werden. Sowohl in Zellen mit ausgebildeten Adherens Junctions als auch ohne konnte unter Verwendung dieser Substrate nach zyklischer Dehnung eine Verschiebung der Aktinfaserorientierung hin zu geringeren Winkeln beobachtet werden. Die Verteilung der Winkel war dabei für nicht differenzierende Zellschichten deutlich breiter. Dies weist auf ein kooperatives Zellverhalten nach Ausbildung interzellulärer Adhäsionen hin, sodass die Reorientierung der Aktinfasern während der Differenzierung nicht mehr individuell über Fokaladhäsionen, sondern zellübergreifend und Adherens Junctions-gekoppelt reguliert ist.