Kalzium-Oszillationen. Wie Zellen denken WS 05/06 Christian Senger und Sebastian Köhler

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Kalzium-Oszillationen. Wie Zellen denken WS 05/06 Christian Senger und Sebastian Köhler"

Tomas Dressler
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Kalzium-Oszillationen Wie Zellen denken WS 05/06 Christian Senger und Sebastian Köhler

2 Kalzium im Organismus Quelle: J. Koolman, K.H. Röhm, Color Atlas of Biochemistry 2

Beispiel der Funktion Quelle: http://www.biologie.uni-regensburg.

3 Beispiel der Funktion Quelle: Deutzmann/Hormon_SS05/G_Prot/Ca_Signaling_web.pdf 3

4 Was sind -Oszillationen? Zellen halten cytosolische Kalzium-Konzentration gering Signal Anstieg der Konzentration Kann sich periodisch wiederholen Quelle: 4

5 Steuerung der Kalzium-Konzentration Quelle: G. Krauss, Biochemistry of Signal Transduction and Regulation 5

6 Aktueller Wissenstand Oszillationen unterstützen Signalwege Genauigkeit (low-level-signale) Erhalten der Sensibilität Spezifität der Signale Untersuchung problematisch Amplitude und Frequenz variieren von Zelle zu Zelle und über die Zeit Oberflächen-Rezeptoren regulieren verschieden Signalwege Downstream-Effekte der Kalzium-Ionen? 6

7 Methode Quelle: G. Krauss, Biochemistry of Signal Transduction and Regulation 7

8 Effizienz-Kontrolle Konstant: nur 19% hatten TF an Oszillation: 39% 8

9 Effizienz-Kontrolle Höhere Konzentrationen Effekt verschwindet 9

10 Effizienz-Kontrolle Niedrigere Konzentrationen Unterschiede werden signifikanter konstant oszillatorisch 10

11 Spezifität Hypothese: Amplitude oder Frequenz codiert diese Information Signalwege die -abhängig sind: NF-AT NF-κB Oct/OAP 11

12 Spezifität - Amplitude Spezifität nicht in Amplitude der Oszillationen kodiert 12

13 Spezifität - Frequenz Frequenz codiert Signalwege Niedrige Frequenzen aktivieren lediglich NF-κB Hohe Frequenzen aktivieren hingegen alle drei TF s 13

14 Spezifität - Frequenz Konstantes Signal unterscheidet kaum Oszillation kann spezifisch Signalweg aktivieren 14

15 Ergebnisse Effektivitätskontrolle der Genexpression bei niedrigen Stimulationen Oszillationen ermöglichen es, dass Kalzium spezifisch Signalwege ansprechen kann Werkzeug um Zellen in bestimmte Entwicklungsphase zu lenken 15

16 Quellen Calcium oszillations increase the efficiency and specificity of gene expression Ricardo E. Dolmetsch, Keli Xu, Richard S.Lewis; Nature 392; 1998 G. Krauss, Biochemistry of Signal Transduction and Regulation 16

Von der Zelle zum Modell zu vielen Zellen Plasmamembran APM Quelle: www.siumed.

17 Von der Zelle zum Modell zu vielen Zellen Plasmamembran APM Quelle: erg/resource/session2.htm InsP3 Jrelease JSERCA Cytosol VC Jin Jout AER ER 17

18 Kalzium-Oszillationen in Hepatozyten: Synchronisation heterogener Zellen Artikel von Thomas Höfer, Model of Intercellular Calcium Oscillations in Hepatocytes: Synchronization of Heterogenous Cells Biophysical Journal, Vol. 77, September 1999,

19 Kalziumoszillation in der Zelle Modellannahmen: Unterschiedliche Oszillationsfrequenzen werden beeinflusst durch -Flüsse,-Speicher und Gap-Junctions Kein Feedback über InsP 3 Quelle: 19

20 Experimentelle Untersuchung der Synchronität an Zellpaaren/-triplets (Tordjmann et al., 1997) gleichmäßige hormonelle Stimulation der Hepatozyten mit Gap-Junctions führt zu fast synchronen Oszillationen; 1:1 Peaks mit <10% Phasenverschiebung Lokale Stimulation einer Zelle führt nur zur Oszillation in dieser Zelle 20

21 Experimentelle Untersuchung der Synchronität an Zellpaaren/-triplets (Tordjmann et al., 1997) Blockierung der Gap-Junctions führt zu sofortigem Synchronitätsverlust Nach dem Aufheben der Blockierung wird die Synchronität innerhalb weniger Zyklen wiederhergestellt 5. v 1 > v 2 v 2 v 1 Die Zelle, die ungekoppelt die schnellsten Oszillationen zeigt, scheint die Geschwindigkeiten aller Zellen vorzugeben, wenn gekoppelt. 21

22 Fragestellung Findet die Synchronisation der Kalziumoszillationen durch die -Flüsse durch die Gap-Junctions statt? Unter welchen Bedingungen können sich Zellen mit sehr unterschiedlichen intrinsischen Frequenzen synchronisieren? 22

23 Das Hepatozyten-Modell Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out A ER ER J G y A G J G 23

24 ER-Release Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out A ER ER J G y A G J G 24

25 ER-Aufnahme und Efflux über die Plasmamembran Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out A ER ER J G y A G J G 25

26 Kalzium-Einfluss Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out A ER ER J G y A G J G 26

27 Strukturelle Parameter Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out V ER A ER ER J G y A G J G 27

28 Das Gesamt-Modell Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out V ER A ER ER J G y A G J G 28

29 Oszillationen Zytoplasmische Oszillationen + phasenverschobene Oszillationen im ER Erhöhung der Agonisten- Konzentration Erhöhung der Frequenz Periodendauer ~30s bis 3min Spikedauer ~10s Agonisten- Konzentrationsabhängige Latenzzeit bis zum Einsetzen der Oszillation 29

30 Oszillationen 30

31 Agonisten-Abhängigkeit Kritischer Bereich der InsP 3 -Konzentration, in dem das Kalzium oszilliert Periodendauer ist abhängig von der InsP 3 -Konzentration 31

32 Strukturelle Parameter, Oszillation Strukturelle Parameter bestimmen die intrinsische Frequenz 32

33 Gap-Junction-Fluss Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out A ER ER J G y A G J G 33

34 Das Gesamt-Modell Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out V ER A ER ER J G y A G J G 34

35 Das Gesamt-Modell Plasmamembran A PM InsP 3 J release Cytosol V C J in J SERCA J out V ER A ER ER J G y A G J G 35

36 Gekoppelte Zellen, Synchronität a) unlocked γ = 0,001s -1 b) harmonic locked γ = 0,01s -1 c) synchrony γ = 0,07s -1 36

37 Strukturelle Parameter, Synchronität Bestimmung der Kopplungskoeffizienten Zelle mit höchster Frequenz bestimmt die Gesamtfrequenz 37

38 Unterbrechung der Gap-Junction Unterbrechung der Gap-Junctions: Gap-Junctions notwendig zur Synchronisierung Ausschalten der IP 3 R in mittlerer Zelle von Triplet: Synchronisierung erfolgt über direkt benachbarte Zellen = 0 = 0 38

39 Sensibilisierung und Kopplungskoeffizient Sensibilisierung der IP 3 -Rezeptoren in allen Zellen Stärke der Kopplung durch Gap-Junctions Kritischer Bereich γ C1 bis γ C2 Wenn γ C nicht zu groß ist, gibt die schnellste Zelle die Geschwindigkeit vor 39

40 Bestimmung des Kopplungskoeffizienten Plasmamembran Der gefundene Kopplungskoeffizientenbereich ist an der Obergrenze gefundener Literaturwerte (oder darüber) J release InsP 3 Beachtung der räumlichen Verteilung von in der Zelle (Austritt aus den Gap Junctions) ER Cytosol J G Kalziumeintritt betrifft nur die Kalzium-Speicher in der Nähe der Gap-Junctions Mögliche Verstärkung y J G A G 40

41 Weitere Fragestellungen Untersuchungen im größeren Rahmen (viel mehr Zellen) Synchronisation in anderen Zelltypen Quelle: Dr. B. Zimmermann, Prof. B. Walz, Universität Potsdam Einbeziehung von InsP 3 -Diffusion über Gap-Junctions Einbeziehung weiterer möglicher Signale wie z.b. ATP 41

42 Zusammenfassung Modellierung von Kalziumoszillationen in Hepatozyten Modellierung von Synchronisation zwischen Zellen Synchronisation durch Gap-Junctions Bestimmung von Grenzwerten der Agonistenkonzentration Bestimmung von Grenzwerten der Kopplungsstärke 42

43 Fragen? 43

Ähnliche Dokumente

Zellbiologie! Privatdozent Dr. T. Kähne! Institut für Experimentelle Innere Medizin! Medizinische Fakultät

Zellbiologie! Privatdozent Dr. T. Kähne! Institut für Experimentelle Innere Medizin! Medizinische Fakultät Grundlagen Lipid-Doppelschicht als Barriere für polare Moleküle! Abgrenzung für biochemische