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Periodische Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizelluarer Entwicklung. Neuere Ergebnisse zum raumlichen Horen: 259. Sitzung am 1. Marz 1978 in Dusseldorf PDF

71 Pages·1980·3.504 MB·German
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~W~ESTFi'iLlSC1 ~ ~ o WISSENSCHA N Rheinisch-Westfalische Akaclemie cler Wissenschaften Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 292 Herausgegeben von der Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften GUNTHER GERISCH Periodische Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizelluHirer Entwicklung lENS BLAUERT N euere Ergebnisse zum raumlichen Horen Westdeutscher· Verlag 259. Sitzung am 1. Marz 1978 in Dusseldorf CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Gerlach, Gfinther: Periodische Enzymaktivierung aIs Kontrollfaktor multizellulirer Ent wicklung I Giinther Gerisch. Neuere Ergebnisse zum raumlichen Horen I Jens Blauert. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1980 (Vortrage I Rheinisch·Westfiilische Akademie der Wissenschaften: Natur-, lngenieur-u. Wirtschaftswiss.; N 292) NE: Blauert, Jens: Neuere Ergebnisse zum raumlichen Horen © 1980 by Westdeutsdler Verlag GmbH Opladen Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1980 Gesamtherstellung: Westdeutsdler Verlag GmbH ISSN 0066-5754 ISBN-13: 978-3-531-08292-9 e-ISBN-13: 978-3-322-86048-4 DOl: 10.1007/978-3-322-86048-4 Inhalt Periodische Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizelluHirer Entwicklung von Gunther Gerisch, Basel Zyklisches AMP als Hormon eines Mikroorganismus . .. ......... 7 Chemotaxis: Signaliibertragung von ZelloberfHichenrezeptoren auf das kontraktile System .................................... 9 Signalfortpflanzung von Zelle zu Zelle: Zyklisches AMP stimuliert die Synthese von zyklischem AMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Die periodische Signalbildung beruht auf autonomen Oszillationen der Adenylzyklase-Aktivitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Das zeitliche Muster der Signalbildung ist bestimmend fUr die Steuerung der Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Zusammenfassung ........................................ 16 Literatur ............................................... 17 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 21 N euere Ergebnisse zum raumlichen Ho.ren von Jens Blauert, Bochum 1. Einleitung ............................................ 39 2. Zur Entstehung der Ohrsignale ........................... 40 3. Zur Auswertung der Ohrsignale durch das Gehor . . . . . . . . . . . . . 43 4. Anwendungsbeispiele ................................... 46 a) Kopfbezogene elektroakustische Dbertragung . . . . . . . . . . . . . 46 b) Elektronische Nachhallunterdriickung ................... 48 c) Trommelfellimpedanzmessung ......................... 51 5. SchluBwort ........................................... 53 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Summary............................................... 55 Abbildungen . .. . . . .. ... . ... . . . .. . . .. ... . . . . . .. . . . . ... . . .. 57 Periodische Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizellul:irer Entwicklung von Gunther Gerisch, Basel Zyklisches AMP als Hormon eines Mikroorganismus Hormone steuern in vielzelligen tierischen Organismen die Aktivitaten von Zellen und koordinieren die Funktion der Organe. Die Ansprechbarkeit einer Zelle auf ein bestimmtes Hormon hangt in erster Linie von ihrem Besitz an Rezeptormolekiilen abo Die Art der Antwort ist spezifisch fUr einen Zell typo Sie wird wahrend der Entwicklung des Organismus einer Zelle auf gepragt und ist Ausdruck ihre.r Differenzierung. Dies bedeutet, daB das an die Hormonrezeptoren angekoppelte, von Zelltyp zu Zelltyp verschiedene Signaliibertragungssystem dariiber entscheidet, auf welche Weise eine Zelle auf ein bestimmtes Hormon reagiert. Viele Hormone binden an Rezeptoren auf der Zelloberflache. An der Zellmembran findet dann eine Signalumwandlung statt. Das in der Zelle als "secondary messenger" wirkende Agens ist in diesem Fall nicht mit dem Hormon, dem "primary messenger" identisch. Ais "secondary messenger" dienen zyklische Nucleotide, oder auch Calcium, dessen Konzentration im Cytoplasma sich nach Hormongabe andern kann. Diese Aussagen treffen in der Regel nicht auf Steroidhormone zu, die die Plasmamembran der Zelle durchdringen, danach durch Rezeptoren im Cytoplasma abgefangen und zum Kern transportiert werden. Doch gibt es auch einen Fall, wo ein Steroid, Progesteron, offensichtlich seine Wirkung durch Bindung an Rezeptoren auf der Zelloberflache entfaltet, und zwar durch Regulation des cyclo-AMP Systems. Dies ist die Induktion der Reifung von Oocyten zu befruchtungs fahigen Eizellen beim Krallenfrosch, Xenopus laevis (MALLER und KREBS, 1977). Bei einem Mikroorganismus, iiber den hier berichtet werden solI, Diety o stelium diseoideum, wirkt ein zyklisches Nucleotid, Adenosin-3', 5'-mono phosphat (cAMP) selbst wie ein Hormon. Das heiBt, es trifft von auBen auf die Zelle und entfaltet seine Wirkung, indem es an Rezeptoren auf der Zell oberflache gebunden wird. Dietyostelium diseoideum ist aus verschiedenen Griinden besonders geeig net fiir die Analyse chemischer Signaliibertragung zwischen Zellen. Ais Mikro- 8 Gunther Gerisch organismus Hifh es sich in groEen Mengen in Fe.rmenterkulturen in Form suspendierter Einzelzellen zUchten. Diese Zellen beginnen einige Stunden nach dem Ende der Vermehrungsphase in einem Nahrstoff-freien Medium durch Aggregation, d. h. durch Wanderung zu Sammelzentren, einen vielzelligen Organismus aufzubauen (Fig. 1). In diesem sind die Zellen durch die Haft fahigkeit ihre.r Membranen zu einem gewebeartigen Verband zusammen geschlossen. Ais Endergebnis der Entwicklung entsteht ein Sporentrager, der aus zwei Zelltypen, Sporen und Stielzellen, besteht (Fig. 2). Mutanten, in denen die Entwicklung an verschiedenen Stellen blockiert oder in eine falsche Richtung geleitet ist, lassen sich leicht gewinnen und in Form von Einzelzellen zUchten. Die Orientierung der Zellen wahrend der Aggregation beruht auf einer durch cAMP ausgelosten chemotaktischen Reaktion: die Zellen nehmen raum liche Konzentrationsunterschiede von cAMP wahr und regulieren ihre Moti litat so, daE sie zu den Orten hochster cAMP-Konzentration hingeleitet wer den (KONIJN et al., 1967). GegenUber sonstigen Hormonwirkungen besteht hier die Besonderheit, daE die Zelle nicht einheitlich als Ganzes reagiert, son dem die unterschiedliche Antwort von Teilen der Zelle fUr den Erfolg der Reaktion ausschlaggebend ist. Konkret heiEt das: die Zelle nimmt einen Kon zentrationsgradienten des chemotaktischen Agens wahr, und die der hochsten Konzent.ration ausgesetzte Stelle wird zur Bewegungsfront (Fig. 3). Noch eine andere Besonderheit von Dictyostelium ist von allgemein bio logischem Interesse. Aggregationszentren sind in der Lage, den chemotak tischen Faktor periodisch in Form von Pulsen abzugeben. Diese periodische Signalbildung ist die Grundlage fUr eine Signalfortleitung im Feld aggregie render Zellen. Wie schon ARNDT (1937) vor vierzig Jahren gezeigt hat, pflan zen sich Aggregationsimpulse als Wellen von Zelle zu Zelle fort (Fig. 4). SHAFFER (1962) hat darauf aufmerksam gemacht, daE hier ein Relais-System voriiegt, bei dem die einzelnen Zellen als Signalverstarker wirken (Fig. 5). In diesem Sinne Uben die Zellen von Dictyostelium eine ahnliche Funktion aus wie Neurone in einem tierischen Organismus. Schliemich hat cAMP bei bestimmten Stammen von Dictyostelium discoi deum auch eine Wirkung auf die Entwicklung der Zellen. Der Ubergang vom Zustand der Einzelzellen zum aggregationsfahigen Stadium wird durch cAMP stimuliert, wobei die Periodizidit der Signale von Bedeutung ist (DARMON et al., 1975; GERISCH et al., 1975a). Die Entwicklung zur Aggrega tionsreife tragt zumindest einige Kennzeichen dessen, was man als Zelldiffe renzierung bezeichnet. Schon diese kurze Ubersicht Uber die Effekte von cAMP vor und wahrend der Zellaggregation zeigt, daE dieses Hormon multiple Wirkungen hat. Die Periodisdte Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizellularer Entwiddung 9 Bahnen der Signaliibertragung von den Rezeptoren auf der Zelloberflache zu den intrazellularen Instanzen der Signalbeantwortung miissen sich also verzweigen. Die im folgenden dargestellten Experimente wurden mit der Absicht durchgefiihrt, diese Bahnen biochemisch zu charakterisieren. Chemotaxis: Signaliibertragung von Zellober/lachenrezeptoren auf das kontraktite System Um zu entscheiden, welche durch cAMP ausgelosten Reaktionen als Zwi schenstufen bei der Chemotaxis in Frage kommen, muB zunachst festgestellt werden, wie schnell eine Zelle mit einer sichtbaren Reaktion antwortet. Zellen wurden zu dies em Zweck lokal durch eine mit cAMP gefiillte Mikro kapillare gereizt (Fig. 6). Innerhalb von 3 bis 5 Sekunden begannen die Zellen Pseudopodien in Richtung der Kapillare auszustrecken (GERISCH et at., 1975b). Zwischenschritte der Signaliibertragung miissen also innerhalb dieses Intervalls ablaufen. Bisher wurden zwei Reaktionen gefunden, die diese Voraussetzung erfiillen. Erstens wird die Permeabilitat von Calcium erhoht, was beim Vorhandensein extrazellularen Calciums zur Erhohung der zyto plasmatischen Calcium-Konzentration fiihrt (WICK et at., 1978). Dieses Ver halten hat Dictyostelium mit vielen anderen erregbaren Zellen gemeinsam. Eine zweite Reaktion ist die sprunghafte Erhohung der Konzentration von zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP), die auf einer Aktivierung des synthetisierenden Enzyms Guanylcyclase beruht (MATO und MALCHOW, 1978). Diese Reaktion wird von allen bekannten Faktoren ausgelost, die bei D. discoideum und verwandten Arten eine chemotaktische Reaktion hervor rufen (WURSTER et at., 1977; MATO et at., 1977). Dazu gehoren Folsaure, die bei D. discoideum ku.rz nach dem Ende der Vermehrungsphase chemotaktisch wirkt (PAN et al., 1975), und ein Faktor aggregierender Zellen von Poty sphondylium, der moglicherweise ein Oligopeptid darstellt (WURSTER et at., 1978). Der Signaliibertragungsweg fiir eine chemotaktische Reaktion muB am Bewegungsapparat der Zelle enden. Wie andere amoboid bewegliche Zellen besitzen auch die Zellen von Dictyostelium Actin und Myosin als vorherr schende Komponenten des kontraktilen Systems. Als Reaktion auf eine Stimu lierung durch cAMP laBt sich tatsachlich eine chemische Modifikation an einer Komponente erkennen, und zwar eine gesteigerte Phosphorylierung der schweren Ketten des Myosins (RAHMSDORF et at., 1978). Es ist von anderen Zellen her bekannt, daB die Phosphorylierung des Myosins zu eine.r Erhohung seiner Actin-stimulierten ATP-ase-Aktivitat fiihrt (ADELSTEIN, 1978), womit 10 Gunther Gerisdt wahrscheinlich auch im Falle von Dictyostelium eine Steigerung der Kontrak tilitat verbunden ist. Die hier beschriebenen Experimente wurden alle an Zellsuspensionen durch geftihrt, die intensiv gertihrt wurden, so daB die gesamte Zelloberflache nahe zu gleichmaBig von dem injizierten chemotaktischen Agens getroffen wurde. Die Ergebnisse geben deshalb AufschluB tiber die zeitliche Staffelung der Reaktionsschritte, nicht jedoch tiber ihre raumliche Ordnung, die ftir die Orientierung einer amoboid beweglichen Zelle ausschlaggebend ist. Die Loka lisierung biochemischer Reaktionen innerhalb einer sich chemotaktisch orien tierenden Zelle erfordert die Ausarbeitung neuer Techniken, die noch im Anfangsstadium steht. Inzwischen kann man Denkmoglichkeiten diskutieren. Eine Moglichkeit besteht darin, daB der auBere Gradient des chemotaktischen Faktors - bei aggregierenden D. discoideum-Zellen cAMP - in den intrazellularen Kon zentrationsgradienten einer anderen Substanz tibersetzt wird (Fig. 7, links). Die Aktivitat des kont.raktilen Apparates mtiBte lokal in der Zelle von der Konzentration dieser Substanz reguliert werden. Diese Substanz konnte cGMP, oder es konnten Calcium-Ionen sein. Eine zweite Denkmoglichkeit besteht darin, daB der chemotaktische Faktor zwei Reaktionen auslost. Eine dieser Reaktionen ist die Aktivierung des kon traktilen Systems und damit eine Retraktion von Pseudopodien. Hierbei wird die Annahme gemacht, daB sich bei einem zwischen Rezeptoraktivierung und Kontraktion eingeschalteten Reaktionsschritt die Erregung tiber die ganze Zelle ausbreitet, so daB die Kontraktion nicht an den Ort der Rezeptor Aktivierung gebunden ist. Die zweite Reaktion wird als streng lokalisiert an genommen und zwar als abhangig von der lokalen extrazellularen Konzen tration des chemotaktischen Faktors. Man konnte z. B. daran denken, daB die Bildung von Rezeptor-cAMP-Komplexen an der Zelloberflache zur Folge hat, daB sich das unterlagernde Cytoskelett von der Membran ablost. Diese kann dann an der Stelle hochster auBerer cAMP-Konzentration infolge des durch die Kontraktion hervorgerufenen Innendruckes in Form eines Bruch sack-Pseudopodiums ausgesttilpt werden (Fig. 7, rechts). Die Annahme von zwei Reaktionen, genereller Kontraktion und lokaler Dilatation, als Grundlage der Chemotaxis ist gut mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Die Zellen kontrahieren sich tatsachlich, wenn sie durch eine gleichmaBig hohe Konzentration von cAMP gereizt werden, und bei lokaler Stimulie.rung von Zellen durch eine mit cAMP geftillte Mikrokapillare beobachtet man das Vorstiilpen von Bruchsack-Pseudopodien (GERISCH et al., 1975b). Auf die Unabhangigkeit der Kontraktion von der Pseudopodium Aussendung in die Richtung erhohter cAMP-Konzentration weist das Ver- Periodische Enzymaktivierung als Kontrollfaktor multizelluHirer Entwiddung 11 halten bestimmter Mutanten hin, z. B. das der Mutante Wag-6. Zellen dieser Mutante kontrahieren sich noch wie die des Wildtyps als Antwort auf cAMP; aber sie sind nicht oder kaum in der Lage, auf einen cAMP-Gradienten durch gerichtetes Vorstrecken von Pseudopodien zu reagieren (Fig. 8). Signaljortpflanzung von Zelle zu Zelle: Zyklisches AMP stimuliert die Synthese von zyklischem AMP In einem klassischen Zeitraffer-Film hat Arthur ARNDT (1929) erstmalig den gesamten Entwicklungsgang einer Dictyostelium-Art, D. mucoroides, festgehalten. Besonderes Aufsehen hat in diesem Film das Verhalten der Zellen wahrend der Aggregation erregt. Vom Aggregationszentrum gehen periodisch Impulse aus, die sich in Form von Erregungswellen im Aggrega tionsfeld ausbreiten. Ais Antwort auf die vom Zentrum ausgelosten Signale wandern die Zellen iiber Strecken von mehreren Millimetern rhythmisch zum Zentrum hin. SHAFFER (1962) hat die Erregungswellen als Ausdruck eines Relais-Systems erkannt, das der Fortleitung chemotaktischer Signale dient. Dabei wirkt jede Zelle im Aggregationsfeld als Signalverstarker. Mit der Identifizierung des chemotaktischen Faktors aggregierender Zellen als cAMP erhob sich die Frage, ob diese Substanz auch in Analogie zu einem Neuro transmitter die Signalfortleitung von Zelle zu Zelle vermittelt. In dies em Falle miiBte die Stimulierung einer Zelle durch cAMP die Ausschiittung von cAMP zur Folge haben. Dies wurde durch Messung der extrazellularen cAMP-Konzentration vor und nach einem cAMP-Stimulus bestatigt (GERISCH et al., 1975b). Die Konzent.ration an cAMP steigt kurzfristig iiber die des zugefiigten cAMP an und sinkt dann wieder ab unter der Wirkung von Phosphodiesterasen, die sich auf der Zelloberflache befinden und auch in das extrazel1ulare Medium abgegeben werden. Die Menge des ausgeschiitteten cAMP laBt sich unabhangig von der Menge des zur Stimulierung der Zellen zugefiigten cAMP bestimmen, wenn man die Zellen vorher mit Adenin in kubiert, das in die Zellen aufgenommen und unter anderem zur Synthese von cAMP verwendet wird (SHAFFER, 1975) (Fig. 9). So konnte nachgewiesen werden, daB ein cAMP-Stimulus um zwei GroBenordnungen verstarkt wird, d. h. pro Molekiil zugefiigtem cAMP werden etwa einhundert Molekiile von den Zellen ausgeschieden (Roos et at., 1975). Diese Menge ist in den Zellen vor der Stimulierung nicht vorhanden. Die Signalverstarkung setzt also eine Erhohung der N ettosynthese von cAMP voraus. Die Reaktion ATP zykli -+ + sches AMP Pyrophosphat wird durch Adenylzyklase katalysiert. Durch Messung der Aktivitat dieses Enzyms in Homogenaten aus unstimulierten

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