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Das Zellorchester der Signalübertragung

29.07.2014 / Ähnlich wie ein Musiker sein Instrument beim Spielen in Schwingungen versetzt, bringen Botenstoffe in Zellen die Konzentration an Kalzium ins Schwingen. Und so wie wir eine Melodie erkennen können, gleichgültig, ob sie von einem Cello oder einer Violine gespielt wird, weil die Melodie die Botschaft ist und nicht die Tonhöhe, so reagieren Zellen auf den Botenstoff, aber jede auf ihre Weise. Das haben Dr. Kevin Thurley und Prof. Martin Falcke, Leiter der Forschungsgruppe Mathematische Zellphysiologie am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) jetzt in Nieren- und Leberzellen herausgefunden (Science Signaling, doi: 10.1126/scisignal.2005237)*.

Im Mittelpunkt ihrer Arbeit stand dabei die Konzentration von Kalzium im Innern der Zelle. Kalziumsignale sind für die Funktion des Körpers unerlässlich. Dieses chemische Element sorgt unter anderem dafür, dass Hormone wie Insulin ihre Wirkung entfalten, Nervenimpulse übertragen werden, Muskeln kontrahieren und Leberzellen das Blut von Schadstoffen reinigen. Die Kalziumkonzentration kann sich aber sehr schnell ändern, wenn durch ein Hormon oder einen Botenstoff Kalzium aus intrazellulären Speichern freigesetzt wird. Viele Botenstoffe wie Hormone oder Neurotransmitter lösen eine Reihe kurzer hoher Ausschläge (spikes) in der Kalziumkonzentration der Zelle aus – ein Zeichen dafür, dass sie an Rezeptoren in der Zellmembran gebunden haben.
 
Zu den häufigsten Kalziumionenkanälen, die die Freisetzung aus intrazellulären Speichern kontrollieren, gehören die sogenannten IP3-Rezeptorkanäle. Die haben Dr. Thurley und Prof. Falcke experimentell und mit Hilfe mathematischer Analysen in Nieren- und Leberzellen untersucht. Sie stellten fest, dass einzelne Zellen, die die selben Signale erhalten, darauf zwar mit sehr unterschiedlich hohen Frequenzen der Kalziumkonzentration in ihrem Innern reagieren, dass aber alle Zellen auf die Erhöhung der Konzentration von Botenstoffen mit einem Frequenzanstieg um den selben Faktor (fold change) antworten. Das heißt, Zellen vom selben Typ und unter identischen Bedingungen zeigen zwar große Unterschiede im Verhalten, dennoch arbeiten Organe wie Leber oder Nieren trotz dieser Unregelmäßigkeiten ihrer Zellen zuverlässig. „Letztlich spielen alle Zellen unisono dieselbe Melodie, aber eine in Bass und die andere im Sopran“, so Prof. Falcke.
 
*Reliable Encoding of Stimulus Intensities Within Random Sequences of Intracellular Ca2+ Spikes
Kevin Thurley1,2,3, Stephen C. Tovey2, Gregor Moenke1, Victoria L. Prince4, Abha Meena2, Andrew P. Thomas4, Alexander Skupin5,6, Colin W. Taylor2,*, Martin Falcke1,7,*
 
1Mathematical Cell Physiology, Max Delbrück Center for Molecular Medicine, Robert Rössle Str. 10, 13125 Berlin, Germany. 2Department of Pharmacology, Tennis Court Road, Cambridge, CB2 1PD, UK. 3Charité-Universitätsmedizin Berlin, Institute for Theoretical Biology, Invalidenstr. 43, 10115 Berlin, Germany. 4Department of Pharmacology and Physiology, New Jersey Medical School, Rutgers, The State University of New Jersey, 185 S Orange Avenue, Newark, NJ 07103, USA. 5Luxembourg Centre for Systems Biomedicine, 7 Avenue des Hauts Fourneaux, Esch sur Alzette 4362, Luxembourg. 6National Center for Microscopy and Imaging Research, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093, USA, 7Department of Physics, Humboldt University Berlin, Newtonstr. 15, 12489 Berlin, Germany
 
Kontakt:
Barbara Bachtler
Pressestelle
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) Berlin-Buch
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Robert-Rössle-Straße 10
13125 Berlin
Tel.: +49 (0) 30 94 06 - 38 96
Fax:  +49 (0) 30 94 06 - 38 33
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