16. März 2015

Spannung erhält dreidimensionale Körperform

IST Austria-Professor Heisenberg und KollegInnen enträtseln neuen Mechanismus zum Erhalt der dreidimensionalen Körperform in aktueller Nature-Ausgabe • YAP-Gen steuert Gewebespannung, um Schwerkraft zu widerstehen • Störung des Actomyosin-Netzwerks verringert Spannung

Bright-field side-view of a 5-day old zebrafish embryo showing its 3D body shape (© Carl-Philipp Heisenberg)
Seitenansicht der 3D-Körperform eines 5 Tage alten Zebrafischembryos. © Carl-Philipp Heisenberg

Wie entsteht die Körperform im Organismus eines Wirbeltiers? Alles beginnt im wachsenden Embryo: einzelne Zellen, die sich schrittweise teilen und entwickeln, ordnen sich zu bestimmten Geweben und Organen, welche einen dreidimensionalen Körper ausbilden. Gewebespannung ist für die Entwicklung der Körperform wichtig, weil der Embryo der Schwerkraft ausgesetzt ist und äußeren Kräften widerstehen muss. Gewebespannung entsteht durch kortikale Zugkräfte, die im Kontakt von Zelle zu Zelle oder durch Adhäsion zwischen Zellen und der extrazellulären Umgebung übertragen werden. Doch was steuert diese Gewebespannung? Anscheinend lässt sich alles auf das Gen YAP zurückführen, das die mechanischen Kräfte beeinflusst, die sowohl aus den Zellen heraus als auch auf die extrazelluläre Umgebung wirken. Das wurde in einem internationalen Forschungsprojekt unter der Leitung von der Heisenberg-Gruppe am IST Austria, Hiroshi Nishinas Team an der Medical and Dental University in Tokyo und Makoto Furutani-Seikis Labor an der University of Bath entdeckt. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe von Nature am 16.März veröffentlicht.

Wie kam es zu dieser Entdeckung? Die WissenschaftlerInnen fanden heraus, dass YAP eine wichtige Rolle im Erhalt der Körperform spielt, als sie viele genetisch mutierte Zebrafisch- und Medaka-Fischembryos prüften; diese Arten werden als Modellorganismen eingesetzt, um die Entwicklung von Wirbeltieren zu erforschen. Mutierte Fische, in denen YAP so verändert wurde, dass es nicht mehr wirkte, weisen eine verminderte Gesamtspannung im sich entwickelnden Gewebe auf. Daher erliegt der dreidimensionale Embryo der Schwerkraft und sein Körper wird flach.

Warum ist das so? Der wichtigste Mechanismus zur Krafterzeugung durch Kontraktion ist Actomyosin, ein Komplex aus motorischen Myosin-Proteinen, die mit zytoskeletalen Strukturen wie den Aktinfasern im Zellkortex unter der Zelloberfläche interagieren. Wenn die Bildung dieses kortikalen Actomyosin-Netzwerks gestört wird, wie im Falle der mutierten Fische, mangelt es der Zelle an einem tragfähigen Strukturgerüst und die kortikale Spannung ist verringert. Aber das ist nur die halbe Wahrheit. Actomyosin-Kontraktion regt auch die Herstellung von Fibronektin in der extrazellulären Matrix an. Die extrazelluläre Matrix ist eine Ansammlung von Molekülen, die den Zusammenhalt der Zellen unterstützt, und Fibronektin ist eines dieser Moleküle. Fehlt YAP und die Actomyosin-Kontraktion, werden die Fibronektin-Fasern nicht ausreichend erzeugt und die extrazelluläre Matrix kann nicht genau aufgebaut werden. Als Folge stapeln sich die Zellen nicht mehr richtig aufeinander und das Gewebe bildet sich falsch aus.

Eine bisher unbekannte Funktion von YAP ist, dass es zum Erhalt der Gewebespannung benötigt wird. Bislang war nur bekannt, dass das Gen als Mechanosensor der zellulären Umgebungssteifigkeit wirkt und so die Zellvermehrung steuert. Die neuen Daten legen nahe, dass YAP auch als Mechanoregulator wirkt. YAP ist ein Gen, das im gesamten Tierreich vorkommt. Die WissenschaftlerInnen konnten nachweisen, dass YAP die Funktion zum Erhalt der dreidimensionalen Körperform auch in menschlichen Zellen bewahrt hat. Diese Erkenntnisse könnten in der regenerativen Medizin hilfreich sein, weil sie eine Erklärung bieten, wie komplexe Organe durch Gewebespannung aufgebaut werden.



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