28. März 2017

Reibung formt Zebrafischembryonen

Mechanische Kräfte regulieren Bildung des Neuralrohrs – Studie von Carl-Philipp Heisenberg erscheint in Nature Cell Biology

Ein einfacher Ball aus Zellen ist der Ausgangspunkt für Menschen – und Zebrafische. Am Ende ihrer embryonalen Entwicklung allerdings sehen Fisch und Mensch völlig anders aus. Die dafür verantwortlichen biochemischen Signale wurden bereits eingehend untersucht. Wie allerdings mechanische Kräfte den Embryo formen ist das Thema einer Studie von Carl-Philipp Heisenberg, Professor am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) und seiner Gruppe, darunter Erstautor und Postdoc Michael Smutny. In ihrer Studie, die heute in Nature Cell Biology erscheint, zeigen die ForscherInnen, dass die Reibung zwischen sich bewegenden Geweben Kraft erzeugen. Diese Kraft formt das Nervensystem des Zebrafischembryos, einem beliebten Tiermodel für die embryonische Entwicklung. „Wir zeigen, dass Reibung entsteht, wenn die sich formenden Geweben gegeneinander verschieben, und dass diese Kraft ein Schlüsselmechanismus ist, um die Morphogenese während der embryonischen Entwicklung zu regulieren“, erklärt Carl-Philipp Heisenberg.

Während sich der Embryo entwickelt, bewegen sich die Zellen und die Gewebe werden umgeordnet. Mechanische Kräfte treiben diese Morphogenese an. Allerdings war das Wissen darüber, wie diese Kräfte entstehen und mit anderen Signalen integriert werden, bisher unzureichend. Heisenberg und seine Gruppe untersuchten die mechanischen Kräfte die am Werk sind, wenn sich das zentrale Nervensystem des Zebrafischs entwickelt. Die Neuralanlage, der Vorgänger des Neuralrohrs, entwickelt sich aus einer von drei Keimblättern, dem Neuroektoderm. Allerdings wurde gezeigt, dass die anderen beiden Keimblätter, das Mesoderm und das Endoderm, wichtig für die richtige Morphogenese des Neuroektoderms sind. Während der Entwicklung der Neuralanlage bewegen sich die Keimblätter im ball-förmigen Embryo in entgegengesetzte Richtungen. Das Mesoderm und das Endoderm – gemeinsam auch als Mesendoderm bezeichnet – bewegen sich zu einem der Pole des Embryos, dem sogenannten animalen Pol, während das darüberliegende Neuroektoderm über sie gleitet und sich zum entgegengesetzten Pol, dem vegetativen Pol, bewegt.

Heisenberg und seine Gruppe fanden heraus, dass diese Bewegung wichtig für die richtige Positionierung der Neuralanlage ist. Während sich die Gewebe gegeneinander bewegen, ändern die Zelle im Neuroektoderm, die die Neuralanlage bilden, ihre Bewegungsrichtung. Sie wechseln die Spur und bewegen sich in Richtung des animalen Pols, in dieselbe Richtung wie das darunterliegende Mesendoderm. Die ForscherInnen fanden, dass sich in Embryonen in denen das Mesendoderm fehlt, diese neuroektodermalen Zellen nicht umorientieren. Stattdessen bewegen sich alle Zellen des Neuroektoderms zum vegetativen Pol, und die Neuralanlage ist falsch positioniert. Wenn sich die mesendodermalen Zellen langsamer als normal bewegen, befindet sich die Neuralanlage ebenfalls an der falschen Position.

Um herauszufinden, welcher Mechanismus diesen Beobachtungen zu Grunde liegt, erstellten die ForscherInnen ein theoretisches Modell basierend auf ihren Beobachtungen. Indem sie die Kräfte, die im Embryo am Werk sind, modellierten, fanden sie, dass die Bewegung des Neuroektoderm gegenüber dem Mesendoderm zur Entstehung von Reibung führt. Michael Smutny erklärt, wie Reibung entsteht: „Wenn sich die Gewebe gegeneinander bewegen, entsteht Reibung – ähnlich, wie wenn man einen Luftballon an einem Pullover reibt. Im Fall des Zebrafischembryos kontaktieren die Gewebe einander direkt durch E-Cadherin, einem Protein, das aus der Zelle hinausreicht. Wenn diese Linkerprotein an einander reiben, baut sich zwischen den Geweben Reibung auf.“

Die WissenschaftlerInnen bestätigten die Wichtigkeit von E-Cadherin indem sie das System im Labor nachbauten: sie kultivierten eine Schicht von ektodermalen Zellen in einer Schale und bewegten diese in eine Richtung, während sie eine mit E-Cadherin beschichtete Kugel in die entgegengesetzte Richtung schoben. Dadurch orientierten sich die ektodermalen Zellen um, wie es die WissenschaftlerInnen im Embryo beobachtet hatten. Die Erkenntnis, dass mesendodermale Zellen durch Reibungskräfte direkt die Bewegung der neuroektodermalen Zellen beeinflussen, zeigt zum ersten Mal, dass Reibung ein wichtiger Regulator der Gewebemorphogenese im Embryo ist.

Schäden in der Morphogenese des Neurektoderm sind die häufigsten Geburtsschäden bei Menschen. Die Erkenntnis, dass Reibungskräfte an der Berührungsfläche zwischen sich bildenden Keimblättern eine wichtige Rolle in der Morphogenese des Neuroektoderms spielen, weist darauf hin, dass ein bisher unerkannter Mechanismus diesen Geburtsschäden zu Grunde liegen könnte.

»Download Bild (Dorsaler Schnitt durch einen Zebrafisch-Embryo während der Gastrulation mit Gewebe des Neurektoderm (Zellkerne in cyan und Zellmembranen in magenta) und dem darunter liegenden Gewebe des Mesendoderm (grüne Zellen). Reibungskräfte entstehen an der Schnittstelle zwischen Mesendodermzellen, die zum animalen Pol wandern, und darüber liegenden Neurektodermzellen, die sich in die entgegengesetzte Richtung zum vegetativen Pol des Embroys bewegen.)