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Zellsterben - Der programmierte Zelltod (PCD)

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Der programmierte Zelltod (PCD)

Der programmierte Zelltod, kurz PCD für die englische Bezeichnung "programmed cell death", ist ein hoch komplexer Vorgang, der in sämtlichen Lebewesen und Pflanzen vorkommt. Dabei wird unterschieden zwischen programmierten Zelltod im Verlauf der gewöhnlichen Entwicklung eines Organismus und gesteuertem Zelltod als Folge von Einflüssen aus der Umwelt. Das Forschungsteam um Arunika Gunawardena hat sich etwas genauer mit diesem Phänomen befasst und die bisher einmaligen Forschungsergebnisse in dem frei zugänglichen Fachjournal von BioMed Central, BMC Plant Biology, veröffentlicht.


Foto: (c) Adrian Dauphinee, Abbildung: Aponogeton madagascariensis

Angewandte Techniken

Als perfektes Forschungsobjekt hat das Team die Madagaskar-Wasserähre (Aponogeton madagascariensis), auch Gitterpflanze genannt, ausgewählt. Diese erschien als besonders prädestiniert, da die sich auf Madagaskar endemisch entwickelte Pflanze durch den programmierten Zelltod ein ausgeprägtes Gitternetz zwischen den gleichmäßig angeordneten Blattadern herausbildet. Zum vollständigen Dokumentieren dieses Prozesses haben die Forscher von der Dalhousie Universität in Novo Scotia auf unterschiedliche Methoden zurückgegriffen: die Darstellung von Lebendzellen über einen langen Zeitraum, auch bekannt als "Live Cell Imaging", Zeitraffer-mikro-Fotografie mit Bildeinfärbungstechniken zum besseren Hervorheben von Vorgängen in den Zellen.

Das frühe PCD-Stadium

Der programmierte Zelltod beginnt immer relativ mittig an den Aerolesen, den von den Blattadern umschlossenen Flächen. Das Zellsterben breitet sich nach außen hin aus und stoppt, wenn die letzten vier bis fünf Zellreihen vor den Blattadern erreicht wurden. Der Fortschritt dieses gesteuerten Zellsterbens ist aufgrund der dabei entstehenden Pigmentierung optisch sichtbar. Nicht vom gesteuerten Absterben betroffene Zellen beinhalten Anthocyane (auch Blattblau genannt), die eine Pink-Färbung hervorrufen. Im frühen Stadium des Zellsterbens löst sich dieses Blattblau und nur das Chlorophyll, auch als Blattgrün bekannt, bleibt enthalten. Dieses Blattgrün löst sich dann zu einem späteren Grad des Absterbens ebenfalls.

Zum Schluss wird die Zelle förmlich aufgelöst

Nach dem Verlust der Anthocyane konnten die Forscher zudem eine Verringerung als auch eine Verkleinerung der bestehenden, für die Fotosynthese der Pflanze zuständigen Chloroplaste feststellen. Gleichzeitig konnten sie Veränderungen des Aktin-Zytoskeletts beobachten. Dieses wiederum ist für die Form und die mechanische Stabilisierung der Zellen zuständig und unterstützt so die Zelle von innen heraus. Die Aktin-Zellstränge wurden dicker und die Anordnung mehr willkürlich, bevor sie dann zu einem späteren Entwicklungsstand des Zellsterbens vollständig verschwanden. Bei voranschreitendem PCD begannen die Chloroplasten und Mitochondrien sich miteinander zu verbinden, um dann in die großvolumigen, säurehaltigen Hohlräume, die Vakuole, verbracht zu werden.

Binnen drei Tagen ist eine Zelle verschwunden

Diesen Prozess konnten die Forscher mithilfe des 3D Bild-Analyse-Verfahrens bestätigen. Zudem konnten sie den Nachweis des Zellabbaus erbringen, in der Fachwelt bekannt als Autophagie. Dabei entdeckten sie organische Rückstände in kleinen, zellulären Bläschen, den Vesikeln. Bei allen beobachteten Zellen brach die selektiv permeable Biomembran (Tonoplast) letztendlich und die Zelle kollabierte. Den Ausführungen von Dr. Gunawardena zufolge dauerte es lediglich 48 Stunden vom ersten nachweisbaren Chlorophyll-Verlust bis zum Tonoplast-Zerfall. Weitere 24 Stunden später war dann jeweils die gesamte Zellwand aufgelöst und verschwunden.

Konkreter Einblick in das gesteuerte Zellsterben erst durch die Anwendung neuer Technologien möglich

Es ist das erste Mal, dass ein Forschungsteam wie das um Dr. Arunika Gunawardena auf ein solch breites Spektrum an Visualisierungs-Techniken zurückgegriffen hatte, um diesen Vorgang nicht nur sehr detailreich, sondern auch mit spektakulären Bildern ausführlich zu dokumentieren. Das ist insbesondere deshalb so bedeutend, da es sich beim programmierten Zelltod um einen biologischen Vorgang handelt, der früher oder später im Lebenszyklus eines jeden Organismus zu beobachten ist. Die von dem Forschungsteam zusätzlich veröffentlichten Videos und Bilder geben zudem auf faszinierende Art und Weise Einblick in den Prozess des gesteuerten Zellsterbens, wie es sich die Madagaskar-Wasserähre zunutze macht, um so ihre einzigartigen und wunderschönen Blätter buchstäblich selbst zu designen.

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