Symbolbild. Illustr.: Juliet Merz
(08.12.2020) KLOSTERNEUBURG: Etwa eine halbe Stunde nördlich von Wien versucht die Gruppe um Carl-Philipp Heisenberg, klebende Zellen voneinander zu lösen – und entwickelt so eine vereinte Theorie der Neurulation.
Jedes mehrzellige Lebewesen auf unserer Erde beginnt als einzelne Zelle. Ausgehend von dieser spezialisieren sich im Laufe der Entwicklung des Organismus bestimmte Zelltypen, Gewebe und schließlich Organe. Zwar scheint der grobe Ablauf des Vorgangs verstanden zu sein, doch basiert dieses vorläufige Verständnis oftmals auf Annahmen und Hypothesen.
Ein Beispiel dafür ist die Frage, wie genau sich einzelne Zelltypen in einem frühen Stadium der Embryonalentwicklung zu den festen Verbünden zusammenlagern, die dann Ausganspunkt für die Ausbildung von Organen sind. „Der früheste Prozess dieser Art bei mehrzelligen Organismen ist die Gastrulation“, erklärt Carl-Philipp Heisenberg, Professor und Gruppenleiter der Abteilung Morphogenese in der Embryonalentwicklung am Institute of Science and Technology im österreichischen Klosterneuburg. „Dabei entstehen aus einem ungeordneten Zellhaufen, der Blastula, die drei geordneten Keimblätter, also das Ekto-, Meso- und Endoderm.“ Dieser Prozess sei ein attraktiver Studiengegenstand, da er zwar einfach und gut zu beobachten, mechanistisch aber immer noch nicht völlig verstanden sei.
Die ersten Erklärungsversuche für die Zielstrebigkeit, mit der sich Zellen innerhalb von Geweben anordnen, liegen schon ein paar Jahrzehnte zurück. So postulierte der britische Entwicklungsbiologe Lewis Wolpert bereits Ende der 1960er-Jahre das auch heute noch als Standard verwendete French-Flag-Modell (J. Theor. Biol. 25: 1-47). „Man vermutet, dass sich Signalmoleküle, sogenannte Morphogene, ausgehend von ihrer Quelle graduell über ein Gewebe verteilen“, erläutert Heisenberg. „Das Modell besagt nun, dass sich bestimmte Zelltypen in Abhängigkeit von der Konzentration des Signalmoleküls ausbilden.“ So entwickle sich ein Zelltyp A in der Nähe der Morphogenquelle, ein Zelltyp B etwas weiter entfernt, wo lokal niedrigere Mengen des Signalmoleküls vorhanden sind, und ein Zelltyp C beispielsweise dort, wo kein Botenstoff mehr hingelangt. Daher auch der Name French Flag, da sich ein Gewebe horizontal in Bereiche mit viel (Blau), wenig (Weiß) und keinem (Rot) Entwicklungsbotenstoff aufteilen lasse – wie bei der französischen Nationalflagge.
„Das Modell funktioniert allerdings nur bei quasi statischen Geweben“, gibt der Klosterneuburger zu bedenken. Solche Gewebe findet man beispielsweise in frühen Entwicklungsstadien der Taufliege Drosophila melanogaster, in der das French-Flag-Modell schon sehr früh beschrieben wurde (Cell 54: 83-93). In Heisenbergs Hauptstudienobjekt, dem Zebrafisch Danio rerio, sieht die Sache jedoch anders aus: „Das Problem ist, dass die Musterbildung, beispielsweise im Neuralrohr des Zebrafischs, ein morphogenetisch sehr aktiver Prozess ist.“ Das heißt, bereits während sich der Gradient des Signalproteins Sonic Hedgehog ausbreitet, bewegen sich die Zellen kontinuierlich und vermischen sich wieder. Eine Zelle, die eine bestimmte Menge an Signal erhalten hat, wandert unter Umständen weg, und trotzdem kommt es zuverlässig zur Ausbildung der entsprechenden Domänen.
So reifte bei den Forschenden um Heisenberg in Zusammenarbeit mit dem Labor von Sean Megason an der Harvard University die Idee, dass ein weiterer Mechanismus hier eine Rolle spielen muss. „Das French-Flag-Modell kann recht gut erklären, wie sich die Domänen grob anordnen. Für die scharfe Trennung der Bereiche benötigt man jedoch einen Zellsortierungsmechanismus“, führt der Entwicklungsbiologe aus. Dabei kam den Klosterneuburgern die Differentielle-Adhäsions-Hypothese des US-amerikanischen Biologen Malcolm Steinberg in den Sinn. Diese hat zwar auch schon einige Jahrzehnte auf dem Buckel (sie stammt aus dem Jahre 1964), dennoch gilt sie bis heute als Standardtheorie zur Zellsortierung.
Die Hypothese behandelt Gewebe wie Flüssigkeiten, in denen Zellen mehr oder weniger frei umhertreiben können. Diese weisen unterschiedliche Grade der Oberflächenadhäsion auf und ordnen sich unter Minimierung der freien Grenzflächenenergie so lange, bis ein thermodynamisch stabiles Gleichgewicht erreicht ist. Heisenberg: „Zellen des Typs A lagern sich lieber an Zellen des Typs A und weniger gern an diejenigen des Typs B an. So erreicht man durch die Sortierung der Zellen recht scharfe Domänengrenzen.“
In ihrer kürzlich in Science erschienenen Studie liefert Heisenbergs Gruppe nun den ersten experimentellen Nachweis, dass sowohl das French-Flag-Modell als auch die Differentielle-Adhäsions-Hypothese bei der Neurulation des Zebrafischs eine maßgebende Rolle spielen (370: 113-6). Während dieses Prozesses stülpt sich ausgehend vom Ektoderm das Neuralrohr aus, das den Grundstein für die Entwicklung des zentralen Nervensystems darstellt. Dabei lagern sich die Vorläuferzelltypen p3, pMN und p0 in scharf abgegrenzten Bereichen von der ventralen (Brust-) hin zur dorsalen (Rücken-) Seite des Neuralrohres an.
Die Forschenden konnten zeigen, dass die beteiligten Zelltypen Bindungen innerhalb ihrer eigenen Gruppe (homotypisch) gegenüber Bindungen zwischen verschiedenen Zelltypen (heterotypisch) bevorzugten. Dazu entnahmen sie einzelne Zellen aus dem Zellverband. „Wir verwendeten dafür Mikropipetten, mit denen wir Zellen ansaugten, sie aus dem Embryo lösten und gezielt in Kontakt miteinander bringen konnten“, erläutert Heisenberg. Die Entwicklungsbiologen maßen, bei welchem Unterdruck in den Mikropipetten sie die klebenden Zellen auseinanderreißen konnten. Dabei war beispielsweise bei einer p3-p3-Verbindung ein höherer Unterdruck, also mehr Kraft, nötig als bei einer p3-pMN-Verbindung.
Dieses Muster bestätigte sich für alle Zelltyp-Zelltyp-Kombinationen, wie Heisenbergs Gruppe mithilfe des von ihnen entwickelten Triplet-Assays feststellte. In diesem Versuch erzeugten die Forschenden eine Kette aus insgesamt drei Zellen zwischen den Mikropipetten. Zwei der Zellen gehörten einem Typ A, die weitere einem Typ B an. So bestand zwischen den Zellen stets ein homo- und ein heterotypischer Kontakt. „Eine Kette bricht immer an ihrem schwächsten Glied und so konnten wir evaluieren, ob eine homotypische oder heterotypische Bindung bevorzugt wird“, erläutert Heisenberg.
Mithilfe von Transkriptom-Analysen und dem anschließenden Knockout einzelner Kandidatengene durch CRISPR-Cas gelang es der Gruppe, drei Adhäsionsmoleküle zu identifizieren, welche die unterschiedliche Affinität der Zelltypen untereinander beeinflussten. Alle drei Moleküle gehören zur Gruppe der Cadherine. „Wir konnten N-Cadherin, Cadherin 11 und das Protocadherin 19 als maßgeblich an der Zellsortierung beteiligte Adhäsine identifizieren. Das heißt natürlich nicht, dass nur diese drei eine Rolle spielen. Sie sind aber auf jeden Fall notwendig für eine adäquate Bindung“, fasst der Entwicklungsbiologe die Ergebnisse der Studie zusammen.
N-Cadherin ist das häufigste Cadherin in allen drei Zelltypen und weist einen Gradienten entlang der ventral-dorsalen Achse des Zebrafisch-Neuralrohrs auf. Cadherin 11 wird nur in einem Streifen entlang des gesamten Rückenmarks exprimiert und korreliert hauptsächlich mit der pMN-Zellschicht. Eine Sonderrolle nimmt Protocadherin 19 ein: Exprimiert wird es in zwei parallelen Streifen entlang des Neuralrohrs, von denen der ventrale Streifen mit der p3-Zelldomäne überlappt. „In einigen Zellen werden N-Cadherin und Protocadherin 19 coexprimiert. Dies ändert die Bindungsaffinität der Adhäsine zueinander“, erläutert Heisenberg. Die Wechselwirkung der einzelnen Adhäsine zusammen mit dem Gradienten des Morphogens Sonic Hedgehog sorge für die scharfe Domänenbildung während der Entwicklung des Neuralrohrs im Zebrafischembryo.
Die Ergebnisse seien ein erster Schritt hin zu einem besseren Verständnis für die detaillierten Vorgänge während früher Stadien der Embryonalentwicklung, ist sich Heisenberg sicher. Die Kombination aus Morphogen-Gradienten und differentieller Adhäsion spiele sicher auch bei anderen mehrzelligen Organismen eine Rolle. „Aus meiner Sicht ist es wichtig zu erkennen, dass diese beiden Module bei der Morphogenese interagieren können. Jetzt muss man für jeden Organismus detailliert schauen, wie ausgeprägt der Beitrag der einzelnen Komponenten ist.“
In Zukunft wollen die Klosterneuburger weiter in die mechanistischen Besonderheiten der Embryonalentwicklung eintauchen. Besonders interessieren sich die Forschenden dafür, wie biochemische und mechanische Prozesse während der Embryogenese interagieren und rückkoppeln. Dafür sieht Heisenberg gute Voraussetzungen: „Wir haben hier in meiner Gruppe und dank unserer Kooperationspartner das große Glück, dass wir Experten unterschiedlichster Disziplinen zusammen in die Projekte holen. Durch diese Transdisziplinarität können wir Fragestellungen von diversen Seiten beleuchten – diese Art der Kooperation wird immer wichtiger werden.“
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