"Badehaube" stülpt sich schützend über Embryo

13. Oktober 2012, 17:39
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Forscher des IST Austria klären Bewegung einer hautähnlichen Schicht, die während der Gastrulation die Keimblätter bedeckt

Wien - In einer der frühesten Phasen der Embryonalentwicklung, der sogenannten Gastrulation, gleicht die Form des Embryos einer Kugel. Am Beginn dieses Stadiums ist das obere Drittel der Kugel von einer hautähnlichen Schicht bedeckt, ähnlich einer Badehaube. Diese stülpt sich schließlich schützend über den gesamten Embryo. Wie diese Bewegung vor sich geht, haben nun Wissenschafter des Institute of Science and Technology (IST) Austria gemeinsam mit Kollegen in Deutschland analysiert und in der Wissenschaftszeitschrift "Science" veröffentlicht.

Zu Beginn der Gastrulation ist der Embryo ein unspektakulärer Haufen Zellen. Nach und nach erfolgt dann die erste Differenzierung in verschiedene Zellschichten, die sogenannten Keimblätter (Ektoderm, Entoderm und Mesoderm). Aus diesen entwickeln sich später die verschiedenen Organe und Gewebe.

Elastische Schicht

In dieser Phase bedeckt eine "Enveloping Cell Layer" (EVL) genannte Schicht das obere Drittel des kugelförmigen Embryos. Diese elastische Schicht wächst und bedeckt schließlich den gesamten Embryo. "Man kann sich das vorstellen, wie wenn man sich eine Badehaube aufsetzt", erklärte Experimentalbiologe Carl-Philipp Heisenberg vom IST Austria in einer Aussendung des Instituts.

Der Rand der Kappe - ein aus den Proteinen Aktin und Myosin bestehender Ring (Aktomyosin-Ring) - hat die Fähigkeit, sich zusammenzuziehen - ähnlich dem Gummiring einer Duschhaube. Bisher dachte man, dass einfach durch Raffung die notwendige Kraft entsteht, um die EVL vollständig über den Embryo zu ziehen. Dies würde aber erst ab der Mitte der Kugel, quasi dem Äquator, funktionieren. In der oberen Hälfte würde eine Verkürzung des Rings die EVL wieder nach oben ziehen.

Zebrafische

Heisenberg und sein Kollege Stephan Grill vom Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden haben nun die Kräfte untersucht, die bei diesem Prozess wirken - und zwar anhand von Zebrafischen. Bei den nur wenige Zentimeter großen Süßwasserfischen laufen Befruchtung und Entwicklung außerhalb des Muttertieres ab, was die Beobachtung der Vorgänge erleichtert.

Während der Gastrulation ist der Zebrafisch-Embryo etwa 0,5 Millimeter groß, die Breite des Aktomyosin-Rings variiert zwischen 40 und 80 Mikrometer. Rund sechs Stunden dauert es, bis die EVL den Embryo komplett bedeckt.

Zu ihrer Überraschung entdeckten die Wissenschafter nicht nur eine signifikante Spannung entlang des Umfang des Rings, sondern auch bedeutende Kräfte, die in senkrechte Richtung wirken, entlang der Breite des Rings. "Die Ausbreitung der EVL bis zum Äquator erfolgt über das Zusammenziehen des Rings entlang seiner Breite. Zwar bremst die Kontraktion entlang des Ringumfangs die Bewegung zum Äquator hin, diese Kraft wird aber von der Zugkraft übertroffen, die über die Kontraktion entlang der Breite des Rings entsteht", sagte Heisenberg.

Dieser neue krafterzeugende Mechanismus sollte - im Gegensatz zur Raffung - unabhängig von der kugelförmigen Geometrie des Embryos funktionieren. Das konnten die Wissenschafter auch belegen, indem sie die Embryonen zylindrische Form annehmen ließen. Obwohl bei dieser Form keine Bewegung durch Raffung stattfinden kann, verlief die zunehmende Bedeckung des Embryos durch die EVL nahezu ungestört.

Aktomyosin-Ringe mit der Fähigkeit sich zusammenzuziehen finden sich auch in anderen essenziellen biologischen Prozessen wie der Wundheilung und der Zellteilung. So bildet sich während der Wundheilung ein solcher Ring um den Rand des verletzten Gewebes. "Er verkürzt sich und zieht so das Gewebe wieder zusammen, um die Wunde zu schließen", so Heisenberg. Offensichtlich spielen aber auch hier zusätzliche Kräfte im Ring eine Rolle. (APA, 13.10.2012)

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