Was Fisch und Mensch gemeinsam haben

6. November 2012, 22:27
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Carl-Philipp Heisenberg, Professor am IST Austria in Klosterneuburg, deckt Geheimnisse der Embryonalentwicklung auf

Sein Modellorganismus ist der nur wenige Zentimeter lange Zebrafisch, der sich mittlerweile in Aquarien zu Hause fühlt.

Sie sind klein, blau-goldgelb gestreift und überaus agil: Danio rerio, zu Deutsch Zebrafisch. Die nur wenige Zentimeter langen Tiere stammen ursprünglich aus den Reisfeldern und Binnengewässern des indischen Subkontinents, sind aber schon seit Jahrzehnten als Zierfische bei Aquarianern beliebt - und als Forschungsobjekt bei Wissenschaftern. Die Art ist ein hervorragender Modellorganismus, erklärt der Biologe Carl-Philipp Heisenberg im Gespräch mit dem Standard.

Die Minifische produzieren schnell viele Nachkommen, was gut ist für genetische Studien. "Abgesehen davon entwickeln sich die Embryonen außerhalb des Mutterleibs und sind vollkommen transparent." Jeder einzelne Veränderungsschritt lässt sich unter dem Mikroskop problemlos beobachten.

Heisenberg, 1968 in München geboren, ist ein Enkel des berühmten Physikers Werner Heisenberg und wie der Großvater ein sehr erfolgreicher Wissenschafter. Er studierte in München, Cambridge, Tübingen und London, war neun Jahre lang am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden tätig und kam 2010 als Professor und Arbeitsgruppenleiter ans Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg.

Präzision von Uhrwerken

Sein Spezialgebiet ist die Embryologie - mit den Zebrafischen als Versuchstieren. "Je früher man in die Entwicklung schaut, desto ähnlicher sind sich die Organismen", sagt er. Diverse Prozesse funktionieren dementsprechend nach denselben Prinzipien, egal ob Fisch oder Mensch. Da greifen Moleküle mit der Präzision von Uhrwerken ineinander, Zellen tun sich, wie von einer unsichtbaren Hand gelenkt, zu Spezialeinheiten zusammen.

Im vergangenen Monat publizierte die renommierte Wissenschaftszeitschrift Science (Bd. 338, S. 253 & 257) gleich zwei Studien von Heisenberg und seiner internationalen Gruppe. In einer davon decken die Experten zentrale Mechanismen der frühen Embryonenbildung auf.

Bei Fischen besteht der Embryo zunächst aus einem einfachen Zellklumpen (Blastula). Unten sitzt eine große, mehrkernige Dotterzelle und darauf eine Ansammlung von kleineren, sich teilenden Zellen (Blastoderm). Sie fungieren wie eine Kappe. Bevor sich der Embryo weiterentwickeln kann, muss diese Haube komplett über die Dotterzelle gestülpt werden.

Ein entscheidender Schritt zur späteren Bildung von Gewebeschichten und des "Urdarms". Ein beweglicher Ring aus Proteinfasern zieht die Blastoderm-Zellen über den kugeligen Dotter. Doch welche Kräfte dies bewirken, war bislang nicht genau bekannt.

Schnitte mit UV-Laser

Das hat sich nun geändert. Heisenbergs Team hat diesen Prozess, die sogenannte Epibolie, detailliert untersucht. Die Forscher nutzten einen UV-Laser, um damit Schnitte im sich bewegenden Band von Zebrafischembryonen durchführen zu können. Der Ring besteht aus Actomyosin - einer Eiweißstruktur, die auch der wichtigste Bestandteil von Muskelfasern ist.

Mithilfe der Laserschnitte konnte man die vorhandenen Spannungen im embryonalen Actomyosin-Gürtel ermitteln. Die Wissenschafter stellten fest, dass er sich kreisförmig zusammenzieht - wie ein Gummiband um einen Ball. Sobald der Ring die Mittellinie, quasi den Äquator der Dotterzelle, überquert hat, zieht es ihn durch diese Kontraktion automatisch weiter nach unten, mit der haubenförmigen Zellschicht im Schlepptau. Einfacher geht es kaum, ein Geniestreich der Natur. Aber was geschieht vorher, welche Kraft bringt das Actomyosin-Band bis zum Punkt seiner größten Ausdehnung, bis zur Mitte der Dotterzelle?

Auch dieses Rätsel konnten die Wissenschafter lösen. Im Querschnitt des Ringes sind ebenfalls Zugkräfte am Werk. Eine raupenähnliche Kontraktion schiebt ihn vorwärts und arbeitet dabei sogar gegen die ringförmig wirkende Kraft. Das Band kriecht praktisch dem Zelläquator entgegen.

Actomyosin-Ringe finden sich nicht nur in Fischembryonen, betont Carl-Philipp Heisenberg. Sie treten bei jeder normalen Zellteilung in Aktion. "Und sie sind ein ganz universales Feature in vielen krankheitsrelevanten Prozessen." Bei der Wundheilung zum Beispiel legen die benachbarten gesunden Zellen ein ausgeweitetes Actomyosin-Band um die verletzte Stelle und schnüren diese zu. Beschädigte, tote Zellen werden herausgedrückt, Keimen wird dadurch der Nährboden entzogen. Die detaillierte Erforschung solcher Mechanismen hat dementsprechend auch große medizinische Bedeutung.

Im zweiten Science-Aufsatz beschreiben Heisenberg und seine Kollegen das selbstständige Sortieren von Embryonen-Zellen in verschiedenen Verbänden, aus denen später die Organe entstehen. Zellen gleicher Typen, so glaubte man bisher, tun sich zusammen, indem sie gleich stark aneinanderbinden.

Beim Kontakt an ihren Zellmembranen treten dazu spezielle Proteinmoleküle (Cadherine) in Aktion. Sie funktionieren als Anker zwischen den beiden anliegenden Zellen. Für den Sortierungsprozess spielen diese Bindungen allerdings keine wesentliche Rolle, wie die IST-Forscher nun zeigen konnten. Stattdessen ist die physikalische Anziehung (Adhäsion) entscheidend. Und die wird an den Kontaktflächen aktiv gesteuert.

Zellen tragen Stützgeflecht

Der Clou dahinter: Die Zellen tragen an ihrer Oberfläche ein Stützgeflecht aus Actomyosin-Fasern. Dieses Korsett, Fachleute bezeichnen es als Kortex, kann unterschiedlich stark geschnürt sein. Je geringer die Spannung, desto flexibler der Kortex, und umso weicher, verformbarer sind die Zellen. Die Kontaktflächen werden dadurch größer, die Zellen bleiben besser aneinander haften.

Diesen Prozess nun zu verstehen ist unter anderem für die Krebsforschung von Nutzen, glaubt Carl-Philipp Heisenberg. "Tumorzellen wandern häufig in größeren Zellverbänden." Die Zellbindung spielt somit eine wichtige Rolle in der Metastasen-Bildung. Könnte man Erstere gezielt blockieren, wäre dies womöglich ein Fortschritt in der Krebsbekämpfung. (Kurt de Swaaf, DER STANDARD, 07.11.2012)

=> Wissen: IST Austria

  • Kleinere, sich teilende Zellen sitzen wie eine Haube auf der Dotterzelle. Ehe 
sich der Embryo weiterentwickelt, müssen sie zur Gänze über die Dotterzelle 
gestülpt werden. Ein beweglicher Ring aus Proteinen steuert diesen Vorgang.
    foto: ist

    Kleinere, sich teilende Zellen sitzen wie eine Haube auf der Dotterzelle. Ehe sich der Embryo weiterentwickelt, müssen sie zur Gänze über die Dotterzelle gestülpt werden. Ein beweglicher Ring aus Proteinen steuert diesen Vorgang.

  • Carl-Philipp Heisenberg ist seit 2010 am IST Austria. Davor war der Enkel des großen Physikers in Dresden.
    foto: standard/corn

    Carl-Philipp Heisenberg ist seit 2010 am IST Austria. Davor war der Enkel des großen Physikers in Dresden.

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