Wie Moleküle den Embryo vermessen

Neues aus der Forschung

Meldung vom 01.08.2018

Früh in ihrer Entwicklung können Embryonen den Verlust von Gewebe noch unbeschadet verkraften: Entfernt man einen Teil ihrer Zellen, entwickeln sie sich zu zunächst kleineren, aber kompletten und lebensfähigen Organismen. Forscher des Friedrich-Miescher-Laboratoriums der Max-Planck-Gesellschaft in Tübingen wollten verstehen, wie das molekulare System funktioniert, das die Proportionen im Embryo konstant hält. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Harvard University konnten sie zeigen, dass zwei Moleküle durch ihre entgegengesetzten Funktionen ein System bilden, das sich an die Gesamtgröße des Embryos anpasst. Ihre Ergebnisse stellen sie nun in der Fachzeitschrift Nature Cell Biology vor.


180806-1644_medium.jpg
 
Zebrafischentwicklung im Lichtblattmikroskop. Zu sehen sind die leuchtenden Kerne (mit grün fluoreszierendem Protein markierte Histone) aller Zellen.
Almuedo-Castillo M, Bläßle A, Mörsdorf D, Marcon L, Soh GH, Rogers KW, Schier AF, Müller P
Scale-invariant patterning by size-dependent inhibition of Nodal signalling
Nature Cell Biology
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41556-018-0155-7


Die Beobachtung, dass die Embryonen einiger Tierarten sich selbst dann normal entwickeln, wenn man sie mechanisch zerteilt, machten Forscher bereits an der Schwelle zum 20. Jahrhundert – und legten damit die Grundsteine für unser heutiges Verständnis embryonaler Entwicklung. Denn diese Experimente zeigten, dass die Entwicklung in verschiedene Gewebe durch anpassungsfähige Prozesse gesteuert sein muss.

Heute wissen wir, dass diese Prozesse von bestimmten Signal-Molekülen, sogenannten Morphogenen, abhängig sind. Wie diese allerdings auf unterschiedliche Gegebenheiten reagieren, um die Musterbildung im Embryo entsprechend anzupassen, untersuchten nun Forscher des Tübinger Friedrich-Miescher-Laboratoriums. „Die Motivation für unsere jetzige Arbeit war es, diese alten entwicklungsbiologischen Beobachtungen mit modernen quantitativen Methoden und mathematischen Modellierungen neu aufzuarbeiten, um die zugrunde liegenden Mechanismen aufzudecken.“, sagt Dr. Patrick Müller, leitender Autor der Studie.


 
Zebrafischentwicklung im Lichtblattmikroskop. Zu sehen sind die leuchtenden Kerne (mit grün fluoreszierendem Protein markierte Histone) aller Zellen.

Die Forscher legten den Fokus dabei auf das Morphogen mit dem Namen „Nodal“ und seinen Gegenspieler „Lefty“. Diese beiden Moleküle steuern gemeinsam die Aufteilung des embryonalen Gewebes in drei verschiedene Zellschichten, den sogenannten Keimblättern (Endoderm, Mesoderm und Ektoderm). Diese Aufteilung ist einer der frühesten Schritte der embryonalen Musterbildung und entspricht der Unterscheidung in Innen, Mitte und Außen. Das Signal für „Innen“ gibt dabei Nodal: Dort, wo es am aktivsten ist, entwickeln sich die Zellen zu Endoderm, wo sein Signal schwächer ist, zu Mesoderm. Dort, wo Nodal durch Lefty unterdrückt wird, bildet sich Ektoderm. Bei einem solchen Zusammenspiel spricht man von einem Aktivator-Inhibitor-System.

Um zu untersuchen, ob dieses Aktivator-Inhibitor-System die Musterbildung auch in unterschiedlich großen Embryonen zuverlässig steuern kann, entfernten die Wissenschaftler etwa ein Drittel der Zellen von Zebrafisch-Embryonen, vor allem aus dem Bereich des späteren Ektoderms. Mit RNA-Sonden konnten sie sichtbar machen, wie die verbliebenen Zellen ihre Genexpression anpassten: Die Anteile an späterem Mesoderm und Endoderm verringerten sich innerhalb von nur zwei Stunden und passten sich so an die neue Größe an. Die Verteilung der Nodal-Signalaktivität veränderte sich sogar noch schneller – ein Indiz dafür, dass es für die beobachtete Anpassung verantwortlich ist.



Einen möglichen Mechanismus, wie das System aus Nodal und Lefty auf Änderungen der Gesamtgröße reagieren könnte, lieferte eine Computeranalyse: Das mathematische Model berücksichtigte alle experimentell bekannten Interaktionen und Eigenschaften der Moleküle. Unter den – über 400.000 – möglichen Konstellationen der unbekannten Parameter suchte es nach denjenigen, bei denen die Proportionen im Embryo im Vergleich zur Gesamtgröße konstant bleiben. Das Screening ergab, dass das System vermutlich dadurch auf die Größe des Embryos reagiert, indem die Konzentration von Lefty in kleineren Embryonen ansteigt: Dadurch schränkt es die Aktivität von Nodal stärker räumlich ein, und die Ausdehung von Endoderm und Mesoderm nimmt ab.

Die Forscher überprüften diese Vermutung experimentell – und konnten zeigen, dass die Voraussage des Computermodells den realen Vorgängen entspricht. Ihr komplexes Computermodell lieferte somit die Erklärung für eine jahrhundertalte entwicklungsbiologische Beobachtung. Die Ergebnisse lenken das Augenmerk auch auf ein weit verbreitetes biologisches Prinzip, denn auch in Einzellern scheint es Steuerungsprozesse zu geben, bei denen Größe und Molekülkonzentration gekoppelt sind. Diese Mechanismen scheinen eine ubiquitär vorkommende biologische Strategie zur Kontrolle von Größe und Differenzierung zu sein.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 11.12.2018 17:36

Ausweitung des Energiepflanzenanbaus ist für Natur genauso schädlich wie der Klimawandel

Eigentlich profitiert die Natur vom Klimaschutz, für den die Bioenergie lange als Heilsbringer galt. Um das 1 ...

Meldung vom 11.12.2018 17:28

Klein und vielseitig: Schlüsselorganismen im marinen Stickstoffkreislauf nutzen Cyanat und Harnstoff

Ammoniak-oxidierende Archaeen, oder Thaumarchaea, zählen zu den häufigsten Mikroorganismen im Meer. Allerdin ...

Meldung vom 11.12.2018 17:23

Neues über ein Pflanzenhormon

Das Pflanzenhormon Jasmonsäure übernimmt auch eine Funktion, die bislang unbekannt war: Es sorgt dafür, das ...

Meldung vom 11.12.2018 17:15

Regensburger Biologen heben „versteckten Schatz“

Schlammpackungen halten fit – zumindest scheint das für Samen von einer Reihe von Pflanzenarten zu stimmen. ...

Meldung vom 11.12.2018 17:12

Drei Nervenzellen reichen, um eine Fliege zu steuern

Uns wirft so schnell nichts um. Eine Fruchtfliege kann dagegen schon ein kleiner Windstoß vom Kurs abbringen. ...

Meldung vom 06.12.2018 14:53

Durchs Netz gefallen - Weniger Tagfalter auch in Schutzgebieten

Wie ein Rettungsnetz für die Artenvielfalt zieht sich das Schutzgebietssystem „Natura 2000“ quer durch di ...

Meldung vom 06.12.2018 14:44

Erfolgreich seit mindestens 99 Millionen Jahren

Biologen der Universität Jena finden frühesten Beweis für Parasitismus bei Fächerflüglern.

Meldung vom 06.12.2018 14:39

Mehr Diversität als zuvor

Eine Studie der Universitäten Konstanz und Glasgow findet Hinweise auf die Erholung eines Ökosystems nach ei ...

Meldung vom 06.12.2018 14:32

Wie Lärchen den hohen Norden Sibiriens erobern

Rekonstruktion der Entwicklung riesiger Lärchenwälder Sibiriens: Verbreitungsgrenzen verschiedener Lärchena ...


24.11.2018:
Wenn das Meer blüht
24.11.2018:
Durchsichtige Fliegen
15.11.2018:
Plastik im Fisch
03.10.2018:
Gestresste Pflanzen

13.08.2018:
Wie Vögel lernen
20.07.2018:
Magie im Reagenzglas

18.06.2018:
Primaten in Gefahr
28.05.2018:
Störche im Aufwind
07.05.2018:
Misteln atmen anders

27.03.2018:
Kenne Deinen Fisch!

01.09.2016:
Elefanten im Sinkflug
13.12.2015:
Leben ohne Altern
22.05.2014:
Lebensraum Käse
22.05.2014:
Domino im Urwald
04.04.2014:
Nationalpark Asinara
13.03.2014:
Trend-Hobby Imker
04.09.2013:
Harmloser Terrorvogel
07.02.2013:
Wie Bienen riechen

Newsletter

Neues aus der Forschung