Dynamics and Structure of Cellular Aggregation

This work provides new insights into the dynamics and structure of cellular aggregation. Starting from cell motility which is necessary to get the cells into close proximity it presents new tools for visualization, analysis and modeling of aggregation processes. While a lot of work has been done...

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Main Author: Bitter, Patrick
Contributors: Lenz, Peter (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2015
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Table of Contents: Die vorliegende Arbeit behandelt die Dynamik und Struktur der Aggregation von Zellen. Dabei spannt sie den Bogen von der Beweglichkeit auf der Ebene von Einzelzellen als Vorstufe von Aggregation zu deren Ergebnis, der Struktur der Zellaggregate. Im Bereich der Beweglichkeit von Mikroorganismen gibt es viele gut untersuchte Systeme. Als Beispiele seien hier das Schwimmen des Bakteriums E. coli˜und das Gleiten der Amöbe D. discoideum genannt. Allerdings gibt es nur wenige Arbeiten zur Beweglichkeit von Säugerzellen, insbesondere zu deren Reaktion auf externe Einflüsse. Um den Mechanismus dieser Zellmigration besser zu verstehen, habe ich ein generisches Modell entwickelt, das ausschließlich auf der mechanischen Wechselwirkung zwischen Zelle und Substrat basiert. Das Modell macht sich dabei die diskrete Natur des Bewegungszyklus von Säugerzellen zu Nutze. Die Grundidee ist ein zufälliges Auswerfen von Armen und ein Zusammenziehen, das von den externen Einflüssen, wie z.B. der Konzentration eines Pheromons abhängt. Dieses Modell ist in der Lage die meisten experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren, dabei zeigt es insbesondere gute Ergebnisse für das Übertreten von scharfen Stufen in einer heterogenen Umgebung. Außerdem erklärt es das Festhalten des hinteren Zellpols an der Substratoberfläche: Die Fähigkeit einem Gradienten zu folgen wird dadurch stark verbessert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der quantitativen Analyse von Aggregaten. Dafür präsentiere ich neue experimentelle Methoden zur Visualisierung von Zellaggregaten und eine Zusammenstellung von Werkzeugen zu ihrer Analyse. Diese Ansätze wurden anhand von zwei Beispielen getestet: der Aggregation von Fibroblasten und der zuckersensitiven Flokkulation von S. cerevisiae . Für die zweidimensionale Aggregation der Fibroblasten war es möglich durch Videos auch die Dynamik des Aggregationsprozesses zu untersuchen. Dabei kristallisierte sich eine Zweiteilung des Prozesses heraus: Zuerst gibt es eine Phase, während der die Zellen sich strecken und die nach einiger Zeit in eine Kontraktionsphase übergeht. Außerdem zeigte sich, dass die Struktur der Aggregate (gemessen an deren fraktaler Dimension) abhängig ist von ihrer Größe. Dabei gibt es einen Übergang von einem linearen Anstieg der fraktalen Dimension mit der Aggregatsgröße zu einer konstanten fraktalen Dimension. Im Fall der Flokkulation von S. cerevisiae gibt läuft die Dynamik dieses drei dreidimensionalen Prozesses zu schnell ab um sie durch Videoaufnahmen zu bestimmen. Jedoch war es möglich durch konfokale Laser-Scan-Mikroskopie dreidimensionale Bilder der fixierten Flocken zu produzieren und ihre Struktur zu untersuchen. Die wichtigsten Ergebnisse hier sind die fraktale, selbstähnliche Struktur der Flocken und die starke Benachteiligung von Nicht Produzenten gegenüber von Produzenten des für die Flokkulation nötigen Bindeproteins Flo5. Dadurch werden diese sogenannten “Cheater” stark benachteiligt und ihr Wachstumsvorteil durch einen Nachteil bei der Positionierung in der Flocke abgemildert oder sogar kompensiert. Dieses Ergebnis legt nahe, dass auch wenn flo5 nicht die wörtliche Definition eines “Green Beard” Gens erfüllt, doch eine ähnliche Bevorzugung von Trägern des gleichen Gens (bzw. von Produzenten des Bindeproteins) vorliegt.