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(f)Nfocus, rel

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 98-102)

0.0 0.4 0.8

(e)

c n c

m

ρ 2

-10 -5 0 5

0.0 0.5 1.0 1.5

(f) N focus , rel

laterale Position [ µ m]

-6 -4 -2 0

2.0 2.6 3.2

n

(c)

d w

laterale Position [ µ m]

n c

m

0.5 1.0 (d) 1.5

N focus , rel

2 4 6 (g)

d w

c n c

m

-10 -5 0 5

0.0 0.5 1.0 1.5

(h)

N focus , rel

laterale Position [ µ m]

Abbildung 6.8: FCS-Scan durch eine EGFP--gal-exprimierende AT-1-Zelle: (a) Anteil

der langsamen Komponente und (b) relative Teilchenzahl im Zwei-Komponenten-Modell,

(c) Anomalieparameter und (d) relativeTeilchenzahl im Modell der behinderten Diusion

als Funktion derPosition in der Zelle.(e{h) Ergebnisse der Wiederholung desFCS-Scans

entlang der gleichen Linie, jetzt durch die gesamte Zelle ({Æ{), verglichen mit dem Scan

aus (a{d) ({).

Daruberhinaus wurden Zellen verworfen, in denen es wahrend der FCS-Messungen

zu wahrnehmbarenSchwankungendes Fluoreszenzsignalsim Sekundenbereichkam. Diese

konnen internen und globalen zellularen Bewegungen zugeordnet werden und fuhren zu

unzuverlassigen Ortsinformationen.

Beide Interpretationsmoglichkeiten der Daten erlauben eine Aussage



uber den

Diu-sionskoeÆzienten, den das Molekul in freier Losung mit der gleichen Viskositat wie im

0.0 0.3 0.6 (a)

n c

ρ 2

-2 0 2 4

0.4 0.8 1.2 1.6 (b)

N focus , rel

laterale Position [ µ m]

2.0 2.5 3.0 (c)

d w

n c

-2 0 2 4

0.4 0.8 1.2 (d) 1.6

N focus , rel

laterale Position [ µ m]

Abbildung6.9: FCS-Scan durch eine EGFP--gal-exprimierende COS-7-Zelle: (a) Anteil

der langsamen Komponente und (b) relative Teilchenzahl im Zwei-Komponenten-Modell,

(c) Anomalieparameter und (d) relative Teilchenzahlim Modell der behinderten Diusion

als Funktion derPosition in der Zelle.

Zytosol hatte. Aus dem Vergleich der Diusionszeiten bzw. -koeÆzienten von EGFP in

wassriger Losung mit den intrazellularen Werten kann daher eine zytosolische Viskositat

angegeben werden,die etwa 5fach hoher als inWasser ist (Tab.6.1). ZurBerechnung der

Werte sinddieintrazellularenDiusionszeitenuber zahlreichePositioneninmehreren

Zel-len gemittelt worden. Das Verhaltnis der Diusionszeiten bzw. -koeÆzienten von EGFP

unddemFusionsproteinbetragtca.1,4,entsprechenddemMassenverhaltnisvon3,dasbei

globularenProteinen zueinem Verhaltnis derDiusionskoeÆzientenvon 3 p

31,4 fuhrt.

zweiKomponenten behinderteDiusion Zellen

D

mono;aq

=D

mono;cell

5,30,6 5,50,6 9

AT-1

D

mono;cell

=D

fusion;cell

1,40,2 1,50,4 6

D

momo;aq

=D

mono;cell

4,70,5 4,50,7 8

COS-7

D

momo;cell

=D

fusion;cell

1,20,1 1,30,3 4

Tabelle 6.1: Verhaltnis der DiusionskoeÆzienten von EGFP (mono) in vivo (cell) und

in wassriger Losung (aq) sowie das Verhaltnis der DiusionskoeÆzienten von EGFPund

EGFP--gal (fusion). Die Referenz ist der DiusionskoeÆzient von EGFP in wassriger

Losung D =8; 7 10 11

m 2

s 1

.

FCS-Linescans von EGFP-exprimierenden AT-1- und COS-7-Zellen wurden mit der

Scanningeinheit wiederholt. Dazu wurden konfokale Fluoreszenzbilder der Zellen

aufge-nommen unddieLinien furdie Linescans im Bildausgewahlt. Nach denFCS-Messungen

wurdeerneuteinBilderstellt,umdenVerlustanFluoreszenzintensitatsichtbarzumachen

undeventuelle Bewegungen der Zelle zu erkennen. Sowohl die ermittelten intrazellularen

Viskositaten als auch die typischen Werte des Anomalieparameters konnten quantitativ

bestatigt werden.Die OrientierungindenZellenerwies sich alssehr viel einfacher.

Diskussion

DieErgebnissezeigenzusammenmiteinerzunehmendenAnzahlweitererArbeiten[11 ,17 ,

118 , 138 ], dass FCS eine geeignete Methode zur Untersuchung der Beweglichkeit inerter

MolekuleinlebendenZellenist.

Umsicherzustellen,dass dieintrazellulareFluoreszenzvonEGFPemittiertwordenist,

sinddie Fluoreszenzspektren,deren pH-Abhangigkeit undintramolekulare Fluktuationen

untersuchtundquantitativbeschriebenworden.DieErgebnissesindinguter



Ubereinstim-mungmitveroentlichtenUntersuchungen[151 ,24 ,149 ,16 ,150,54 ,98 ,154]underlauben

daruberhinauseine Aussage



uberdieKinetik molekularerKonformationen.

UntersuchungenzurintrazellularenViskositat[61 ,79 ,77 ,78 ,149 ,150 ,141,104 ]zeigen,

dass diese 2,6- bis 10fach groer als in Wasser ist. Dies ist mit den FCS-Messungen mit

beidenInterpretationsmoglichkeitenbestatigtworden,insbesonderehatsichherausgestellt,

dass im Zellkerndie Viskositat fur Proteine von durchschnittlicherGroe ca. 4-bis 6fach

groer ist [141, 118 ] und nicht signikant von den zyotosolischen Werten abweicht. Da

typischeeukaryotischeZellenca.70%(w/w)Wasserenthalten[34 ],kanneinBildentwickelt

werden,nachdemeingroerAnteildesKernvolumenseindemZytosolahnlichesNukleosol

enthalt.DarinbendensichMakromolekuleundgroereKomplexeineinerussigenPhase.

SiealletrageninverschiedenemMaezurViskositatbei,jenachGroederMolekule,deren

Beweglichkeit untersucht wird[61].

DerverbleibendeRaum ist mitChromatin,assoziierten Molekulen undEinschlussk

or-pern (Speckles, Nukleoli etc.) erfullt, die nahezu immobile Hindernisse dar- und m

ogli-cheBindungsstellenbereitstellen.DieInterpretationderFCS-Messungenim

Zwei-Kompo-nenten-Modell erfordert eine sehr inhomogene Verteilung undhohe Konzentration dieser

Hindernisse, umdieEntstehung von Fallenetc. zu ermoglichen(Abschnitt3.3.3). Im

Mo-dell derbehindertenDiusion hingegen (Abschnitt 3.3.1) ist bereits mit relativhomogen

verteilten Hindernissen geringerer Dichte eine deutliche Abweichung von freier Diusion

zu erwarten. Auerdem erfasst es den Einuss von strenger organisierten Strukturen wie

Grenzachen, KanalenundFallenzumindest qualitativ.Der Anomalieparameterd

w kann

in einen theoretischen Bezug zu Groen wie der fraktalen Dimension der behindernden

Strukturen gebracht werden [20 ], die aus strukturellenUntersuchungen oder

Polymermo-dellendesZellkernsgewonnenwerdenkonnen(Abschnitt2.1.2).DahererscheintdasModell

deranomalenDiusionalsdiegeeignetereInterpretationderFCS-Messungen.InSystemen

mit mehreren realen Komponenten und behinderter Diusion [97 , 118 ] ist eventuell eine

gleichzeitige Beobachung der interessierenden Spezies undinerter Testmolekule

erforder-lich.

Die erwartete Abhangigkeit der Diusionseigenschaften von der Groe der Molekule,

ihr Zusammenhangmitder Chromatinstruktursowieder Einussvon unspezischenund

spezischenBindungen sollteninweiteren Experimenten genauer untersucht werden. Die

KombinationderFCSmitCLSMvereinfacht eineOrientierunginderZelleundermoglicht

erst diegleichzeitigeCharakterisierungvon DiusionunddreidimensionalerOrganisation.

6.1.2 Dextrane in HeLa-Zellen

Vermutlich hangt die Behinderungder Diusion durch diedreidimensionale Strukturdes

Zellkerns,wie sie im vorhergehenden Abschnittbeobachtet wurde, deutlich von der T

eil-chengroeab.SynthetischeMolekulewieDextranelassensicheinfachindeniertenGroen

z.B. durchMikroinjektioninZelleneinbringen,umdieBeweglichkeit zu untersuchen.Mit

anderenMethodenwie FRAPist diesschon durchgefuhrt worden [80 ],jedoch bestehtbei

FRAPdieGefahr,behinderteDiusionalsgroerenimmobilisiertenAnteilundlangsamere

freieDiusionzuinterpretieren[93 ,104 ].Daruberhinauswurdebeobachtet,dasssichkleine

DextranmolekulesehrhomogenimZellkernverteilen,groehingegendeutliche

Konzentra-tionsschwankungen zeigen, die mit der Dichteverteilung von Chromatin in Bezug gesetzt

werden konnen(P.Verschure, Swammerdam InstituteforLife Sciences, Amsterdam,

Nie-derlande, pers. Mitteilung). Die folgenden Experimente wurden in Zusammenarbeit mit

P.Verschuredurchgefuhrt.

Material und Methoden

HeLa ist eine Zelllinie,die einem humanenCervixkarzinomentstammt. HeLa-Zellen

wur-deninKammerdeckglasern unterdengleichenBedingungenwieimvoherhergehenden

Ab-schnittbeschriebenfurmindestens24 Stunden kultiviert.Dextrane sindhydrophile

Poly-saccharide,diesichdurchsehrguteWasserloslichkeit,geringeToxizitatundguteResistenz

gegenAbbaudurchzelleigendeGlycosidasenauszeichnen.VonmitdemFarbstoAlexa568

markierten Dextranmolekulen (Molecular Probes) mit einem durchschnittlichen

Moleku-largewicht von 10 und 70kDa wurden jeweils Stammlosungen von ca. 40M angelegt.

Verdunnungenvonetwa 1:10wurdenbei14000U/minfur10{15 minzentrifugiertundder



UberstandanschlieendinKernevonHeLa-Zellenmikroinjiziert.DieMikroinjektionwurde

vonR.Fischer(Abt.BiomedizinischeStrukturanalyse,DeutschesKrebsforschungszentrum,

Heidelberg) mit dem halbautomatischen System AIS der Firma Zeiss durchgefuhrt. Das

injizierteVolumenbetrug dabeitypischerweise5%des Kernvolumens. Einsolches

Vorge-hen gewahrleistet eine hohe



Uberlebenswahrscheinlichkeit der Zellen (P. Verschure, pers.

Mitteilung). Die Zellenwurden noch einmal eine Stundelang in denKammerdeckglasern

inkubiert,bevordiesezu mikroskopischenAufnahmenundFCS-Messungenbei

Raumtem-peraturauf dem Probentisch befestigt wurden.ZurKontrolle wurdenauch nichtinjizierte

Zellenverwendet.

DieBilderundFCS-MessungendiesesAbschnittswurdenindembeschriebenenAufbau

mitderScanningeinheitunddemObjektivUPlanApo 60/1.2Waufgenommen.

Dextrane in Losung

ZurCharakterisierung derhydrodynamischenEigenschaften wurdedie Diusion der

uo-reszenzmarkierten Dextrane in wassriger Losung untersucht. Mit FCS-Messungen einer

EichlosungvonAlexa488undvon1:10000-VerdunnungenderDextranstammlosungen

konn-tenderenKonzentrationenauf 40Mbestimmt werden.MitKenntnisdes

Diusionsko-eÆzienten von Alexa488, D = 2; 110 10

m 2

s 1

, konnen die DiusionskoeÆzienten und

hydrodynamischenRadienderDextraneausdenDiusionszeiten durchdenFokus

berech-netwerden:

D

10

= (8; 51;1)10 11

m 2

s 1

;

R = 2; 60; 3nm;

D

70

= (2; 700; 35)10 11

m 2

s 1

;

R

h;70

= 8; 11; 0nm: (6.3)

DieAbhangigkeitderRadienvonderMasse ergibtdamitungefahrR

h /m

1=2

.Einsolches

Verhalten ist einer elongierten, nicht-spharischen Form zuzuschreiben. Der

Diusionsko-eÆzient der 10kDa-Dextrane in wassriger Losung ist dem von EGFP sehr



ahnlich und

erlaubteinen Vergleich desDiusionsverhaltensin vivo.

FCS-Linescans in Zellen

(c) (b) (a)

2.5 3.0 3.5

4.0 6 5 4 3 2 1 0

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 98-102)