Illustr.: iStock / vchal
(08.12.2019) HANNOVER: Entstehen während der Meiose Eizellen mit falscher Chromosomenzahl, drohen Behinderungen, Fehlgeburten oder Unfruchtbarkeit. Die Chromosomentrennung vollzieht der Spindelapparat – und bekommt dabei Hilfe von einem bisher unbeachteten Muskelprotein.
Sex – für manche die schönste Nebensache der Welt – ist biologisch gesehen ein unglaublich komplexer Vorgang. Sogar, wenn man sich lediglich auf einen einzelnen Aspekt wie beispielsweise die Reifung der Eizelle beschränkt. Eizellen sowie Spermien reifen in einem komplizierten Prozess, an dessen Ende sie einen haploiden Chromosomensatz aufweisen müssen. Nur so können sich zwei haploide Chromosomensätze bei der Befruchtung wieder zu einem vollständigen diploiden Satz an Chromosomen ergänzen. Funktioniert die Aufteilung des kondensierten Erbguts nicht richtig, sind schwere Entwicklungsfehler programmiert, die häufig mit einer Fehlgeburt enden.
Zur Halbierung des Chromosomensatzes durchläuft die tierische Eizelle die sogenannte Reifeteilung aus Meiose I und II. Ausgangspunkt ist in der Regel eine Zelle mit jeweils einem väterlichen und einem mütterlichen Satz aus Chromosomen, die aus zwei Schwesterchromatiden bestehen. In der Meiose I werden die beiden Chromosomensätze auf zwei Tochterzellen verteilt, während in der Meiose II die identischen Schwesterchromatiden getrennt werden. So ergeben sich vier Zellen mit einfachem Chromosomensatz aus Einchromatid-Chromosomen. Da aber bei Eizellen beide Zellteilungen asymmetrisch verlaufen, entsteht lediglich eine reife Eizelle, der drei kleine Zellen aufsitzen, die sogenannten Polkörper. Für Letztere hat die Zelle keine weitere Verwendung – sie werden abgebaut.
Verantwortlich für die korrekte Trennung der Chromosomen ist der während der Meiose gebildete Spindelapparat. Geht hier etwas schief, entstehen Eizellen mit falscher Chromosomenanzahl, die nach der Befruchtung meist in einem frühen Embryonalstadium sterben. Zu den wenigen Ausnahmen beim Menschen gehören die Trisomien 21 und 18, bei denen die Betroffenen drei Kopien des Chromosoms 21 oder 18 und zum Teil schwerste Behinderungen aufweisen.
Grund genug für Georgios Tsiavaliaris vom Institut für Biophysikalische Chemie der Medizinischen Hochschule Hannover, sich mit dem Spindelapparat zu beschäftigen: „Wir interessieren uns dafür, welche Proteine am Spindelaufbau beteiligt sind, wann und wofür sie gebraucht werden, wie sie interagieren und wie sie reguliert sind“, so der Chemiker, der sich längst für die Zellbiologie begeistert. „Bei Säugern gibt es da einige Besonderheiten. So besitzen sie keine Zentriolen, an denen bei anderen Organismen der Spindelapparat verankert ist.“ Während etwa bei der Taufliege Drosophila und anderen Nicht-Wirbeltieren die Spindel von den Polen her aufgebaut wird, wächst sie beim Menschen von den Chromosomen nach außen. „Das ist ein sehr dynamischer und lang andauernder Vorgang, der grundsätzlich fehleranfällig ist“, erklärt Tsiavaliaris.
Menschliche Eizellen sind besonders anfällig für Fehler bei der Chromosomenverteilung – wohl vor allem, weil zwischen ihrer Bildung und Befruchtung ein großer Zeitraum liegt, in dem sich Schäden anhäufen können. Deshalb nimmt generell mit zunehmendem Alter der Frau ihre Fruchtbarkeit ab. Damit die Reproduktionsmedizin helfen kann, müssen zuerst die grundsätzlichen Vorgänge bei der Reifeteilung menschlicher Eizellen verstanden sein. „Die meisten Ergebnisse zum Spindelapparat von Säugetieren gibt es von der Maus, mit deren Eizellen man ohne größere ethische Bedenken arbeiten kann“, erläutert Tsiavaliaris. „Allerdings unterscheiden sich die Spindeln von Mensch und Maus deutlich.“ So ist die Spindel des Menschen kleiner, aber ihre Bildung dauert zwei- bis dreimal länger als bei der Maus. Der hochdynamische Prozess ist extrem fehleranfällig, wie der Wissenschaftler verdeutlicht: „Die Spindel bricht immer wieder zusammen, baut sich neu auf und sammelt dabei Chromosomen ein.“
Grundsätzlich besteht der Spindelapparat aus Mikrotubuli – langen Röhren, die aus Tubulin-Untereinheiten zusammengesetzt sind, zum Zellskelett gehören und an Transportprozessen beteiligt sind. Doch von Maus und Taufliege weiß man, dass ein weiterer Bestandteil des Zellskeletts in der Spindel vorkommt: das Strukturprotein Aktin, das helikale Filamente bildet und vor allem aus dem Muskel bekannt ist.
Gemeinsam mit seinem Doktoranden Johannes Roeles konnte Tsiavaliaris nun zeigen, dass Aktin beim Menschen während der gesamten Reifeteilung in der Spindel vorkommt und dort offensichtlich eine wichtige Rolle spielt (Nat. Comm. 10: 4651). Um gleichzeitig die räumliche und zeitliche Anordnung von Aktin und Mikrotubuli sichtbar zu machen, markierten die Forscher die einzelnen Zytoskelettbestandteile über spezifische Antikörper mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen. Mithilfe eines Konfokalmikroskops erstellten sie dann dreidimensionale Bilder der Spindel.
Für die Analyse standen den Forschern mehrere hundert Eizellen aus Kinderwunschbehandlungen im Reproduktionszentrum der Deutschen Klinik Bad Münder zur Verfügung, die Momentaufnahmen von allen Stadien der Reifeteilung bis zu dem Zeitpunkt lieferten, an dem sich die Chromosomen in der Meiose II in der Äquatorialebene der Zelle anordnen. „Anschließend geht die Entwicklung nur weiter, wenn es zu einer Befruchtung kommt“, erklärt Tsiavaliaris. „Mit befruchteten Eizellen dürften wir zwar arbeiten, aber nicht mit Embryos. Da man den Übergang schwer kontrollieren kann, gehen wir auf Nummer Sicher und arbeiten nur mit nicht befruchteten Eizellen oder solchen, die sich in der Kinderwunschklinik nicht befruchten ließen. Was nach der Befruchtung mit dem Spindelapparat passiert, wissen wir deshalb nur von der Maus.“
Die fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen der Spender-Eizellen zeigten, dass Aktin in allen Phasen der Meiose mit den Mikrotubuli assoziiert war. So bildete Aktin anfangs eine fassähnliche Struktur, welche die Gestalt der Spindel nachbildete, und wanderte auch gemeinsam mit den Spindelmikrotubuli in den Polkörper ein. Löste sich die Spindel am Ende der Meiose I auf, verschwand auch das Aktin und bildete erst bei Eintritt in die Meiose II erneut eine fassähnliche Struktur. „Bisher dachte man, dass Aktin vor allem am Kinetochor, an der Ansatzstelle der Mikrotubuli an den Chromosomen, eine Rolle spielt“, so Tsiavaliaris. „Unsere Studien zeigen jetzt, dass Aktin in allen Stadien ähnliche Veränderungen durchmacht wie die Mikrotubuli, die beiden Strukturen also irgendwie miteinander kommunizieren.“ Außerdem lesen die Forscher aus ihren Aufnahmen heraus, dass Aktin vermutlich daran beteiligt ist, die Chromosomen nach der Trennung im Polkörper zurückzuhalten.
Wenn Mikrotubuli und Aktin miteinander kooperieren, sollten sie sich in ihrer Dynamik gegenseitig beeinflussen. Tatsächlich konnten die Forscher dies zeigen, indem sie verschiedene Chemikalien verwendeten, die jeweils die Dynamik einer der beiden Zytoskelettbestandteile beeinflussten. So veränderte Monastrol die Form der Spindel, und das Aktinnetzwerk folgte dieser Formveränderung. Taxol dagegen stabilisierte die Spindel, woraus sich in der größeren Spindel längere Aktinfilamente ergaben. Eine Destabilisierung der Mikrotubuli durch Nocodazol führte zur Bildung von Spindeln mit vielen Polen, in denen jeweils weniger Aktin nachweisbar war. Umgekehrt bildete sich keine funktionsfähige Spindel mehr, wenn Chemikalien die Ausbildung von Aktinfilamenten störten. „Bei diesen Zellen war die Chromosomenanordnung beeinträchtigt, und es lagen auch mehr Chromosomen verstreut herum“, erklärt Tsiavaliaris die Folgen. Dazu passt, dass sich die Spindel nach einer Behandlung mit Nocodazol besser erholen konnte, wenn das Aktingerüst intakt war. Trotzdem vermuten Tsiavaliaris und sein Team, dass die Mikrotubuli in der Kommunikation der beiden Zellskelettbestandteile tonangebend sind: „Die Effekte sind viel kleiner, wenn Aktin fehlt. Es sind die Mikrotubuli, die bestimmen, wo sich Aktin befindet.“
Deutlich wird auf den Aufnahmen auch, dass Aktin vermehrt an den Polen der Spindel vorkommt, wo sich bei Nicht-Wirbeltieren die Zentriolen als Verankerung befinden. Tsiavaliaris vermutet, dass das Aktinnetzwerk bei Säugern – die ja keine Zentriolen besitzen – eine unterstützende Rolle bei der Spindelbildung und Verankerung spielen könnte. In diesem Zusammenhang interessierten sich die Hannoveraner auch für die Cohesine, welche die beiden Chromatiden eines Chromosoms zusammenhalten. „Bei älteren Frauen ist diese Verbindung geschwächt, und es kommt öfter zu Fehlern bei der Trennung der Chromatiden. Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass gerade Chromosom 21 häufig von einem geschwächten Zusammenhalt betroffen ist“, so der Forscher. Arbeiten Aktin und Cohesine möglicherweise zusammen, und falls ja, wie verändert sich diese Kooperation mit zunehmendem Alter der Frau? Antworten auf Fragen wie diese könnten vielleicht eines Tages älteren Paaren helfen, gesunde oder überhaupt Kinder zu bekommen.