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Viele gemeinsame Gene mit dem Menschen © Wikimedia Commons/Josuevg
Viele gemeinsame Gene mit dem Menschen © Wikimedia Commons/Josuevg

APA

Embryonalentwicklung präsentiert sich sehr robust gegenüber Störung

06.02.2018

Nicht gerade zimperlich gingen Forscher aus Wien in einer Studie mit embryonalen Zellen von Seeanemonen um. Nach der Trennung der in einem frühen Entwicklungsstadium befindlichen Zellen und dem ungeordneten Zusammenwürfeln danach benötigte der Klumpen nur eine kleine Anzahl an "Organisator-Zellen", um einen funktionierenden Organismus zu bilden, berichten sie im Fachblatt "PNAS".

Schon kurz nach dem Beginn der Entwicklung eines Organismus erfolgen ganz wichtige Weichenstellungen. So werden etwa in der frühen Embryonalentwicklung die Körperachsen festgelegt, die wiederum ein erstes "Koordinatensystem" im entstehenden Körper darstellen, an dem sich die Zellen räumlich orientieren.

Bald darauf bildet der Organismus die inneren und äußeren Keimblätter - auch Entoderm und Ektoderm genannt. Aus ersterem entwickeln sich in weiterer Folge der Darm und andere innere Organe, aus letzterem die Haut und das Nervensystem. Die Keimblätter selbst entstehen während des Prozesses der Gastrulation, also bei der Bildung des zukünftigen Darms.

Schwestergruppe zu fast allen Tieren

Das Forschungsteam um Ulrich Technau und Grigory Genikhovich von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien griff bei seiner Untersuchung auf Zellen in frühen Stadien der Gastrulation einer Seeanemone (Nematostella vectensis) zurück. "Das sind Lebewesen, die sich vor etwa 600 Millionen Jahren abgespalten haben. Sie bilden eigentlich eine Art Schwestergruppe zu fast allen anderen Tieren. Das heißt, was man bei ihnen und beim Menschen findet, muss auch der letzte gemeinsame Vorfahre gehabt haben", sagte Technau zur APA. Wenn sich seither etwas genetisch kaum verändert hat, muss es dementsprechend zentral für Organismen sein. Dazu komme, dass die Tiere zwar einfach gebaut, ihr Genom aber erstaunlich komplex ist und "viele Gene mit dem Menschen gemeinsam hat".

Für ihre Studien lösten die Forscher den sich entwickelnden Seeanemonen-Zellverbund auf und wirbelten die resultierenden Einzelzellen in einer Zentrifuge durcheinander. Danach wurde diese "Zellsuppe" wieder zu einem Klumpen zusammengefügt. Dann geschah Erstaunliches: Die bunt zusammengewürfelten Haufen bewiesen nämlich enorme Fähigkeiten zur Selbstorganisation. Innerhalb weniger Tage entstanden trotz der rüden Behandlung weitestgehend normale Polypen. Die Organismen konnten sowohl die beiden Keimblätter wie auch die Körperachse wieder aufbauen, obwohl vorher "alles durcheinander war", so Technau.

Aber nicht in allen Fällen gelang es den Organismen, die Spuren der Zerrüttung zu beseitigen. Indem sie in weiteren Experimenten Zellen genetisch markierten und somit auf ihrem Weg durch den sich entwickelnden Seeanemonen-Embryo verfolgten, fanden die Wissenschafter heraus, dass aus Ektoderm-Zellen bestehende Haufen das Fehlen von entodermalen Zellen kompensieren können. Dazu benötigen sie aber zumindest wenige "Organisator-Zellen", die im normalen Embryo den Rand zwischen Ektoderm und Entoderm markieren. Als zentraler Taktgeber bei der Organisation identifizierten die Wissenschafter zwei sehr zentrale Signalmoleküle der sogenannten "Wnt-Familie" (Wnt1 und Wnt3), die alleine in der Lage sind, die umliegenden Zellen zu ordnen und zu ihrer weiteren Differenzierung anzutreiben, wie die Forscher berichten.

Ähnliche Prozesse bei Organoiden

Ähnliche Prozesse der Selbstorganisation spielen auch bei der Entwicklung von sogenannten Organoiden aus menschlichen Stammzellenkulturen eine Rolle. Diese Miniaturen von Organen zogen in den vergangenen Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich. Durch ihre Manipulierbarkeit und die erstaunliche Ähnlichkeit zum Menschen biete die Seeanemone Möglichkeiten, um die Grundprinzipien dieser Entwicklungsprozesse aufzudecken.

Service: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711516115

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